來源：環(huán)球科學(xué)ScientificAmerican

在動(dòng)物世界里，章魚顯得獨(dú)樹一幟。它們雖然只是軟體動(dòng)物，卻有著超乎想象的智力水平。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(xué)家猜想，它們可能起源于地球之外……通過基因?qū)用娴难芯浚茖W(xué)家找到了章魚大腦復(fù)雜性的三條線索……

2008年，德國科堡市海洋之星水族館里的工作人員遇到了一件怪事。接連兩個(gè)早晨，他們上班時(shí)都發(fā)現(xiàn)水族館異常安靜，整個(gè)水族館的電力系統(tǒng)都短路了。他們重啟系統(tǒng)后，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(gè)員工決定在水族館守夜，輪流在地板上休息。

果然，罪魁禍?zhǔn)壮霈F(xiàn)了。一只六個(gè)月大的章魚奧托（Otto）爬出水族缸，將出水孔對(duì)準(zhǔn)了頭頂?shù)臒?。或許是燈光使它感到惱怒，或者只是出于無聊。正如主管ElfriedeKummer所言：“奧托一直渴望得到關(guān)注，它總是會(huì)有新的驚人之舉。有一次，我們看到它在水缸里戲弄一只寄居蟹?！?/p>

關(guān)于章魚惡作劇的趣聞?shì)W事比比皆是。據(jù)報(bào)道，已經(jīng)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(jì)劃……這些都是復(fù)雜靈活的智力的標(biāo)志，我們通常將這些特征與脊椎動(dòng)物，尤其是哺乳動(dòng)物相聯(lián)系。

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(xué)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(dòng)物大相徑庭的奇特構(gòu)造。

章魚有一個(gè)很大的中央大腦，它的每一條觸手也都有一個(gè)獨(dú)特的小型“大腦”網(wǎng)絡(luò)。它們需要協(xié)調(diào)復(fù)雜到令人難以置信的八只觸手和數(shù)百個(gè)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(shù)家可以瞬間融入背景，只在威脅對(duì)手或吸引配偶時(shí)再次出現(xiàn)。

章魚觸手上密布的吸盤（來源：pixabay）

“它們的行為就像聰明的動(dòng)物一樣，即使他們是牡蠣的近親，”芝加哥大學(xué)的神經(jīng)學(xué)家Clifton Ragsdale說，“我想知道的是，它們是如何以區(qū)別于脊椎動(dòng)物的方式組織較大體積的大腦的。”

那么，進(jìn)化是如何產(chǎn)生這種第二種智力，也就是電影制片人Jacques Cousteau在上世紀(jì)70年代所稱的“軟智力”的？

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

編輯RNA

事實(shí)證明，章魚有大量與腦部形成相關(guān)的基因，這些基因先前僅在脊椎動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)。但是章魚智慧的秘密武器可能不是我們已知的基因。

復(fù)雜的大腦需要一種方法來儲(chǔ)存復(fù)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(jīng)擁有了這種復(fù)雜性。

在構(gòu)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(huì)被復(fù)制，得到的副本被稱為信使RNA（mRNA）。然后，mRNA能夠精確指導(dǎo)一種特定蛋白質(zhì)的合成。

但是，一些驚人的例子并沒有遵循中心法則。章魚能夠修改它們的mRNA。這種調(diào)整被稱為“RNA編輯”。在人類中，只有少量的大腦蛋白質(zhì)的mRNA會(huì)被編輯，而在章魚的大腦中，大部分mRNA都會(huì)被編輯。

“這個(gè)過程讓章魚大腦的復(fù)雜程度超出了我們的想象。或許這種復(fù)雜性與它們的記憶有關(guān)?！碧乩S夫大學(xué)的計(jì)算生物學(xué)家Eli Eisenberg這樣說。盡管他很快補(bǔ)充道：“我必須強(qiáng)調(diào)，這只是個(gè)推測(cè)?！?/p>

毫無疑問，將章魚的智力和RNA編輯相互聯(lián)系屬于邊緣科學(xué)，但是好消息是，這是一個(gè)可檢驗(yàn)的假說。借助最先進(jìn)的工具，如基因編輯技術(shù)CRISPR、新型腦電波記錄儀和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)男袨閷W(xué)測(cè)試，研究人員正在檢測(cè)RNA編輯是否確實(shí)是章魚智力的關(guān)鍵。

章魚如何變得這么聰明？

大約在4億年前，頭足類生物統(tǒng)治著海洋。這些動(dòng)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并保護(hù)自己。

后來，魚類的時(shí)代到來了。頭足類不再位于海洋生物鏈的頂端。大多數(shù)有螺旋型貝殼的物種都滅絕了，現(xiàn)代鸚鵡螺則作為少數(shù)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(jìn)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(jìn)化中的創(chuàng)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(shù)百個(gè)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(fā)現(xiàn)他的章魚在手術(shù)后自己把縫線拆掉了。

但對(duì)于捕食者來說，章魚柔軟的肢體是一頓美味的大餐。所以章魚進(jìn)化出了“能夠思考的皮膚”，能夠在0.2秒內(nèi)融入背景。這些快速變色的藝術(shù)家不僅用皮膚內(nèi)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(dāng)它們靜靜地?fù)u擺自己的兩條腕足時(shí)，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(xié)調(diào)的，”在伍茲霍爾海洋研究所研究偽裝行為的RogerHanlon說，“這是基于特定情境，在大腦多個(gè)層面進(jìn)行的快速?zèng)Q策?！边@種反應(yīng)還依賴于形同相機(jī)的敏銳雙眼。

章魚需要強(qiáng)大的計(jì)算能力來控制腕足、吸盤、皮膚和雙眼。因此，相對(duì)于章魚的體型，它的大腦非常大。章魚的大腦中有5億個(gè)神經(jīng)元，是大鼠大腦中神經(jīng)元數(shù)量的2.5倍。

不同動(dòng)物神經(jīng)元數(shù)量對(duì)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(jié)構(gòu)非常特殊。哺乳動(dòng)物的大腦類似于一個(gè)中央處理器，能夠通過脊髓發(fā)送或接收信號(hào)。但是對(duì)于章魚來說，只有10%的大腦處于高度集中的折疊狀態(tài)，這部分大腦分為30葉，以甜甜圈狀圍繞食管分布。兩個(gè)視神經(jīng)葉占30%，剩余的60%大腦則分布在腕足中。

以腕足為例。人們認(rèn)為腕足有自己的“微型大腦”，這不僅僅是因?yàn)橥笞阒写嬖谏窠?jīng)元，還因?yàn)橥笞阌歇?dú)立的處理能力。舉例來說，章魚在逃離捕食者時(shí)可能會(huì)自斷腕足，而離體后最多十分鐘內(nèi)，這條腕足還能夠繼續(xù)蠕動(dòng)爬行。

直到2011年，沖繩理工學(xué)院的Michael Kuba及其同事通過實(shí)驗(yàn)證明，章魚腕足的運(yùn)動(dòng)并非獨(dú)立于中央大腦。更確切地說，似乎是大腦給出了高級(jí)命令，八條腕足中的一條則會(huì)自主執(zhí)行任務(wù)。

然后是它們“會(huì)思考的”皮膚。仍然是大腦，主要是視神經(jīng)葉，控制著皮膚顏色的變化。這項(xiàng)反應(yīng)的證據(jù)來自Hanlon和JohnMessenger1988年在謝菲爾德大學(xué)進(jìn)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(tài)，但似乎是以一種相對(duì)隨機(jī)的方式進(jìn)行。解剖學(xué)證據(jù)同樣表明，大腦下部的神經(jīng)直接與色素體周圍的肌肉相連。

就像是在調(diào)色板上揮毫的藝術(shù)家一樣，激活這里的肌肉可以將色素囊打開，將色素分散到色素體內(nèi)組成薄的色盤。但是章魚并不是在作畫。Hanlon的墨魚實(shí)驗(yàn)表明，這些生物有三個(gè)預(yù)存的模式，分別是統(tǒng)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(jì)90年代，Kuba加入了希伯來大學(xué)神經(jīng)學(xué)家BenyaminHochner的實(shí)驗(yàn)室。Hochner畢業(yè)于EricKandel實(shí)驗(yàn)室，后者是諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主、研究海蛞蝓如何學(xué)習(xí)的先驅(qū)。

所有的行為都發(fā)生在兩個(gè)神經(jīng)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，但這里實(shí)際上非常擁擠。這個(gè)針尖大小的微處理器中裝配了上千種蛋白。如果每個(gè)神經(jīng)元都是一根電線，那么這個(gè)微處理器就要決定信號(hào)能否從這根電線傳入下一根。當(dāng)海蛞蝓吸取了教訓(xùn)，例如學(xué)會(huì)在尾部被電擊時(shí)縮回鰓，就是因?yàn)樾碌耐挥|連接方式改變了突觸。

然而，Kuba發(fā)現(xiàn)，章魚遠(yuǎn)不如海蛞蝓順從。因?yàn)檎卖~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(huì)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(shí)代。

具有諷刺意味的是，脊椎動(dòng)物大腦能夠發(fā)送信號(hào)的觀點(diǎn)來源于對(duì)魷魚的研究。1934年，英國神經(jīng)科學(xué)家J.Z Young發(fā)現(xiàn)，魷魚的一個(gè)巨大的神經(jīng)元控制著覆蓋于其神經(jīng)鞘上的肌肉的收縮，這些肌肉是眼球后方的球狀肌肉囊，同時(shí)也覆蓋在眼球上，并可以通過虹吸作用噴水。

和哺乳動(dòng)物的神經(jīng)元一樣，魷魚神經(jīng)元最顯著的特征就是線狀軸突。但魷魚軸突的直徑可達(dá)1毫米，是哺乳動(dòng)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(duì)神經(jīng)沖動(dòng)沿軸突傳導(dǎo)時(shí)電壓的變化進(jìn)行測(cè)量。

所有這些基礎(chǔ)知識(shí)都在脊椎動(dòng)物中得以闡明，但是關(guān)于魷魚大腦信號(hào)傳遞的細(xì)節(jié)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(jīng)學(xué)家。

20世紀(jì)90年代初，斯坦福大學(xué)的JoshRosenthal在研究巨型魷魚運(yùn)動(dòng)軸突。但Rosenthal有新的目標(biāo)。他沒有測(cè)量軸突的電學(xué)性質(zhì)，而是想要分離軸突的一個(gè)關(guān)鍵部件：“制動(dòng)”開關(guān)。這是一種被稱為鉀離子通道的蛋白。

魷魚的神經(jīng)元可以根據(jù)其DNA中所含信息合成這種蛋白，它們會(huì)被暫時(shí)儲(chǔ)存在細(xì)胞核中。為了獲得合成的配方，細(xì)胞會(huì)轉(zhuǎn)錄出mRNA。Rosenthal想要分離這些mRNA，并讀取合成這個(gè)通道蛋白的堿基序列。

但他遇到了一個(gè)問題。每次他讀取鉀離子通道的堿基序列時(shí)，所得結(jié)果都有微妙的不同。這只是一個(gè)錯(cuò)誤嗎？如果是的話，這個(gè)錯(cuò)誤出現(xiàn)的頻率太高了。這些變化不是隨機(jī)的，總是精確地發(fā)生在序列中的一個(gè)或多個(gè)位置。而且，不變的是，堿基對(duì)A總是會(huì)變成G。

Rosenthal不知道的是，海德堡大學(xué)的PeterSeeburg當(dāng)時(shí)正在因?yàn)槿祟惔竽X中谷氨酸受體蛋白的堿基序列中類似的小故障而苦苦思考。1991年，當(dāng)Seeburg的論文發(fā)表時(shí)，Rosenthal回憶道，“每個(gè)人都非常興奮?！?/p>

在人類（或小鼠）中，編輯谷氨酸受體會(huì)改變鈣離子進(jìn)入大腦細(xì)胞的數(shù)量。在小鼠中，失敗的編輯是致命的，因?yàn)榇藭r(shí)流入的鈣離子水平對(duì)小鼠有毒。也有證據(jù)表明，人類的神經(jīng)退行性疾?。ㄈ缂∥s性側(cè)索硬化癥）就與其編輯能力的缺失有關(guān)。

一種名為ADAR2的酶可以對(duì)RNA進(jìn)行關(guān)鍵的編輯。而為什么進(jìn)化沒有提前一步，在DNA序列中“修正”谷氨酸受體的堿基序列仍然是個(gè)未解之謎。

至于魷魚體內(nèi)的鉀離子通道，Rosenthal有一種預(yù)感。一個(gè)電子信號(hào)通過神經(jīng)元后，神經(jīng)元需要重置以接收下一個(gè)電子信號(hào)。鉀離子通道在其中起到了至關(guān)重要的作用。在低溫中，重置可能需要更長時(shí)間，這會(huì)使動(dòng)物變得遲鈍。RNA編輯是一種動(dòng)物用于應(yīng)對(duì)溫度變化的微調(diào)方式嗎？為驗(yàn)證自己的想法，Rosenthal花費(fèi)幾年時(shí)間，收集了生活在熱帶、溫帶和極地氣候的章魚。結(jié)果如他所料，在生活在極地的章魚體內(nèi)，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(xué)的極客EliEisenberg合作，借助mRNA數(shù)據(jù)庫確認(rèn)了魷魚有多少基因進(jìn)行過這樣的編輯。在人類中，這種編輯是罕見的，僅限于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(huì)被編輯。其中的很多基因都與突觸間隙中發(fā)現(xiàn)的蛋白有關(guān)。

此類mRNA編輯能力對(duì)軟智力很重要嗎？這是一個(gè)誘人的想法?！皩?duì)蛸亞綱動(dòng)物來說是這樣的，但是對(duì)它們蠢笨的近親鸚鵡螺來說，則并非如此。鸚鵡螺就像其他軟體動(dòng)物一樣，并沒有軟智力?！盓isenberg說。

Rosenthal說：“蛸亞綱動(dòng)物編輯的蛋白與我們所知的有關(guān)學(xué)習(xí)和記憶的蛋白相同?；蛟S是因?yàn)榫庉嬃诉@些蛋白，這些生物更加靈活和復(fù)雜，但這并不能證明這個(gè)假說?！?/p>

DNA中的證據(jù)

在芝加哥，另一位章魚神經(jīng)學(xué)家Cliff Ragsdale也把他的注意力轉(zhuǎn)向了章魚的DNA。

2015年，通過與沖繩理工學(xué)院的DanielRokhsar和OlegSimakov合作，Ragsdale實(shí)驗(yàn)室成功地對(duì)加亞雙斑章魚進(jìn)行了基因組測(cè)序。

結(jié)果表明，章魚有3.3萬個(gè)基因，多于人類的2.1萬個(gè)。但是基因數(shù)量本身與大腦的能力并沒有很大聯(lián)系，因?yàn)樗橐灿写蠹s3.1萬個(gè)基因。事實(shí)上，章魚的大多數(shù)基因與他們的近親帽貝（一種海螺）并沒有很大區(qū)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(huán)路的構(gòu)建，它們?cè)试S正確的神經(jīng)元相互連接。帽貝和牡蠣有17至25種原鈣粘蛋白，脊椎動(dòng)物有70種原鈣粘蛋白，以及至少一百種相關(guān)的鈣粘蛋白。這些參與回路建造的蛋白一直被認(rèn)為是脊椎動(dòng)物聰明的關(guān)鍵。

令人震驚的是，章魚的體內(nèi)含有168種原鈣粘蛋白。

章魚基因組中另一個(gè)引人注目的地方在于一組名為“鋅指”的基因。這組基因編碼的蛋白中的一個(gè)鏈狀結(jié)構(gòu)由鋅離子連接，形成一系列指狀結(jié)構(gòu)，這也是這些基因得名的原因。這些指狀結(jié)構(gòu)與DNA纏繞成的卷結(jié)合，以調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)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(nèi)豐富的鋅指參與了調(diào)節(jié)大腦基因網(wǎng)絡(luò)的工作？

迄今為止，人類已經(jīng)揭示了章魚大腦復(fù)雜性的三大線索：章魚參與環(huán)路構(gòu)建的原鈣粘蛋白和參與網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)的鋅指基因數(shù)量倍增，此外，還通過RNA編輯在轉(zhuǎn)錄中增加更多的復(fù)雜性。

或許人們會(huì)在進(jìn)一步研究中發(fā)現(xiàn)第四種機(jī)制。

現(xiàn)在，世界各地的團(tuán)隊(duì)都在進(jìn)行類似的研究。經(jīng)歷了幾十年對(duì)這個(gè)領(lǐng)域的又愛又怕后，軟智力的神秘面紗可能很快就會(huì)被硬科學(xué)揭開。

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