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蛛网是蜘蛛思维的延伸?

2017/07/12 来源:科研圈
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导读
科学家认为,蜘蛛的网是其认知系统不可或缺的一部分,,确切的说,是其认知系统的外部延伸。

本文转载自科研圈微信公众号

撰文 | JOSHUA SOKOL

翻译 | 阿金

审校 | 韩宇 谭坤


图片来源:SinEater / Quant

数百万年以前,有一些蜘蛛不再编织我们称为“蜘蛛网”的圆形网状物,转而开始专注于开发一种新的技能。在这之前,它们的捕食方式是等待猎物自投罗网,然后出来取回猎物。随后,它们开始编织水平网作为捕食平台。如今,这些蜘蛛的后代——球蛛(cobweb spiders)会垂下一些有黏性的丝,任其飘荡,等到经过的昆虫被粘住,它们就可以将倒霉的猎物一圈圈地卷起来了。

2008年,来自巴西巴伊亚联邦大学的生物学家 Hilton Japyassú 从巴西各地搜集了12种圆蛛(orbspiders),再一次促使它们经历这种转变。他等到这些蜘蛛结好普通的网,就剪断一些丝线,使蛛丝下垂到蟋蟀漫步的地方。当蟋蟀被粘住,不是所有的圆蛛都能像球蛛那样将其完全拉起来,只有其中一些能做到。但是至少所有的圆蛛都开始试图用它们的两只前足将猎物向上卷起。

它们这种善于重新获得祖先创新技术的能力让 Japyassú 陷入了沉思。当蜘蛛遇到了它前所未见的难题,它是怎么想出解决办法的?“这样的信息从哪里来?”他问道,“是已经在它的脑海里了?还是在与改变的蜘蛛网互动时的灵光一现?”

2017年2月,Japyassú 和圣安德鲁斯大学的演化生物学家 Kevin Laland 针对这个问题给出了一个大胆的答案,并以综述文章发表在 Animal Cognition 杂志上。他们提出,蜘蛛的网是其认知系统不可或缺的一部分,,确切的说,是其认知系统的外部延伸。

这一理论很可能让蜘蛛网成为“延展认知”(extended cognition)的一个典型案例。“延展认知”这个观点最先由两位哲学家 Andy Clark 和 David Chalmers 在1998年提出,用来解释人类的思维活动。在延展认知过程中,诸如核对货物清单或者重新排列字母顺序的过程与记忆搜索或问题解决等完全发生在大脑中的任务非常相似,支持者们认为这实际上是一个单独的、更大的、“向外延展”的心智活动的一部分。

在精神哲学的研究者中,这个观点被不断引用,或有人支持,或有人批判。Japyassú 的论文的初衷是将“延展认知”视为可验证的观点而运用到动物行为分析中,但是这已经引发了科学家的争议。“我觉得在将那些炙手可热却争议颇多的理论应用到动物认知学之前,总应该非常小心的检查一遍。”德国马克斯·普朗克学会的集体行为科学家 Alex Jordan 如此评论道(尽管他也是该观点的支持者)。

虽然许多人不同意其论文解释的观点,但是这项研究不应该被一个哲学观点干扰。Japyassú 和 Laland 提出了几种具体的实验手段以验证他们的观点,包括对蜘蛛网的人为操纵——这些让其他研究者颇感兴趣。“我们能够打破蜘蛛网,剪断蛛丝,我们还能减少动物感知周围的方式,”Jordan 说道,“由此产生了一些非常直接且可检验的假设。”

蜘蛛通过其蜘蛛网进行思考的理论非常迎合动物认知领域中一种很小、但却在不断增长的趋势。许多动物在与周围世界互动的时候,会应用一些不依赖大脑的相当复杂的方式。在某些情况下,甚至都没有神经细胞的参与。“对我们来说,大脑越大越好是一个很浪漫的理念,但是很多动物不是这样的。”澳大利亚麦考瑞大学动物行为和信息处理研究员 Ken Cheng 说道。

像 Japyassu 将“延展认知”运用到对蜘蛛的研究一样,许多研究者同样也在动物王国中搜集一些其他的实例,来证明另一个相关的概念--具身认知(embodiedcognition),即认知行为跨出大脑,而与整个身体相关联。

也许最好的例子就是另一种八足无脊椎动物——章鱼。章鱼的聪明广为人知,但是它们的大脑只占它们神经系统的一小部分。一只章鱼全身总共约5亿个神经细胞,其中有三分之二分布在触手上。由此,耶路撒冷希伯来大学的 Binyamin Hochner 猜测,章鱼是否运用“具身认知”的方式将触手捕获的食物直接送入口中。

章鱼对称生长的触手上附有数千个吸盘,每一条触手可以任意弯曲,其中枢神经系统对这些运动的处理看上去就像精确计算好的噩梦一样。但实验表明章鱼并非如此。“它们的大脑不需要知道如何操纵这些柔软的触手。相反,是触手自己控制自己的动作。”Cheng 说道。


章鱼的运动实在是太复杂了,光凭一个大脑“中央处理”是不可能的。图片来源:cocoparisienne/ Pixabay / Quanta

电信号显示,当一个吸盘找到了食物,它会向触手内部和上部传送一个激活肌肉信号的波。同时,触手基部也由内向外、向下发送另一个收缩肌肉的信号波。在两个信号波相遇的地方,触手会弯曲起来,恰好可以将食物顺利地送入口中。

这里还有另外一个类似的技能,这个技能可能更普遍,争议也更少,就是许多动物演化出了相应的感官系统来感知和它们生活息息相关的周围环境。比如,蜜蜂就使用紫外视觉来寻找花朵,相应的,花朵也演化出了能被紫外视觉看到的标识。这样就避免了对大量数据收集并分析的过程。“如果你没有这些感受器,这一部分世界对你来说就是不存在的。”巴拿马史密森尼热带研究所的行为学家 William Wcislo 总结道。

有不少动物似乎从整个神经系统中“卸载”了部分的认知器官,演化出了相似的外置生理结构。例如,雌性蟋蟀总是会被叫声最响亮的雄性蟋蟀所吸引。它们两条前腿的膝关节处长着耳朵,藉此听到声音。两只耳朵通过一条气管导管相连,声波传入双耳中,然后在双耳互相干扰之前穿过导管。这套听觉系统的目的就是让最接近声源的耳朵震动得最厉害。

蟋蟀的信息处理过程,即寻找并定位最响的声音,是发生在耳朵和气管导管这样的物理结构内,而不是发生在大脑内部。一旦这些器官处理完信息,信号会传送至神经系统,然后神经系统指挥蟋蟀的腿往正确的方向移动。

“延展认知”可能是应对巨大挑战所演化出来的一种机制。1762年,瑞士自然学家 Albrechtvon Haller 最先发现了这样一条定律:生物体越小,大脑占据体重的比例几乎就越大,因此比其他组织消耗的能量更多。

哈勒定律(Haller’srule)几乎适用于整个动物界。从大如鲸鱼、大象,小如老鼠的哺乳动物;再到蝾螈,甚至还包括了大部分的蚂蚁,蜜蜂和线虫。对于这些微小的生物,大脑所需的能量越来越多。因此,像 Wcislo 和他同事 WilliamEberhard 这样的科学家认为这其中可能蕴藏着新的演化机制。

2007年,Eberhard 比较了同种类蜘蛛的幼虫和成虫结网的相关数据。新生的幼蛛,几乎比成年蜘蛛的体型小了一千倍之多,应该受到哈勒定律的约束更大。所以,它们在完成一些复杂任务的时候,应该是不如成年蜘蛛的。幼蛛在结网的时候也许更容易犯错,比如编织一张精确符合几何图案的蜘蛛网时,幼蛛找不到搭线的正确角度。但是,它们最后织成的网看上去和成蛛织出来的几乎一样精确。Eberhard 就此问道:“其中一个问题就是:它们怎么做到的?”

Japyassú 的研究提供了一种可能的答案。就像章鱼把信息处理的任务“外包”给它们的触手、蟋蟀则是“外包”给气管,也许蜘蛛把信息处理功能“外包”给了它们的“身外之物”-- 蜘蛛网。

为了验证事实是否真的如此,Japyassú 利用了认知科学家 David Kaplan 提出的一个理论框架:如果蜘蛛和蜘蛛网联合为一个更大的认知体系,那么这两者应该会相互影响。改变蜘蛛本身的认知状态就会改变蜘蛛网,而改变蜘蛛网反过来就会影响蜘蛛的认知状态。

想象一下,蜘蛛待在蜘蛛网的中心,守株待兔。许多会结网的蜘蛛基本上是没有视觉的,它们几乎仅仅通过震动来与环境互动。坐在它们四通八达的网络中心,蜘蛛拉动径向丝线来调整对掉入特定区域的猎物的感知李敏度。

就像一套锡罐电话,一根收紧的细线可以更好地传送震动波。相似地,哪块区域被拉紧了,就可以看出蜘蛛在关注哪里。2010年的一项研究发现,八疣尘蛛(Cyclosa octotuberculata)更容易注意和捕获落入了蜘蛛网被拉紧区域的昆虫。在同样的研究中,当实验员人为地绷紧了蛛丝,似乎可以促使蜘蛛进入高度警备状态,它们会以更快的速度扑向猎物。

反过来也同样奏效。饥饿可以改变白斑涡蛛(Octonoba sybotides)的内在状态,然后它会拉紧蜘蛛网的径向蛛丝,这样,哪怕是很小的猎物落入网中它也能能感知到。Japyassú 解释道:“蜘蛛绷紧了蛛线,就能过滤向脑中传送的信息。这几乎跟它在自己大脑中过滤东西一样。”


一只圆蛛在其猎物尸体搭成的长柱上等待新的猎物……图片来源:OpenCage/ Quanta

另一个蜘蛛网和蜘蛛互作的实例就是蜘蛛结网的过程。数十年来的研究表明,实际上编织一个蜘蛛网比看起来要容易些。这一看上去纷繁复杂的过程好像包含了上千个步骤,但实际上蜘蛛在每个结点只需要遵循一套非常简短的经验法则(rulesof thumb)。但这些规则却可以从内部或者外部被破坏。

当实验员剪掉了正在构建的蜘蛛网后,蜘蛛会做出不同的选择,就好像已经织好的部分在提醒它们,犹如取回外部记忆的存储模块,以保证继续正常编织下去。同样的,结完的蜘蛛网一旦发生变化,蜘蛛下次结网的时候就会作出相应的改变。比如,如果某一部分的蜘蛛网捕获的猎物更多,那么下次蜘蛛就会扩大这片区域。

从另一方面来说,蜘蛛神经系统的状态确实能够明显地影响蜘蛛网的形状。早在20世纪40年代,研究员就给蜘蛛下过各种药:咖啡因,安非他命,LSD致幻剂等等,还吸引了不少媒体的关注。果不其然,磕了药的蜘蛛们纷纷织出了各种奇形怪状,混乱不堪的蜘蛛网。

甚至“延展认知”观点的怀疑者也同意这一结论。蜘蛛网和蜘蛛之间相互关系的研究已经相当成熟了,可以以此为基础进行更多的研究,并讨论如何解释蜘蛛解决问题的方式。“这给哲学家们引入了一个生物学的设定,”牛津大学的蜘蛛学家 Fritz Vollrath 讲道,“因此,我认为这样的研究是非常有价值的。我们现在可以开始讨论了。”

但是仍有许多生物学家质疑这样由互作关系构成的更大的认知系统。最关键的问题针对的是语义的区别。Japyassú 的文章把“认知”定义为获得、操纵并储存信息。因而蜘蛛网完全符合这些标准。但是对其他人来说,这样的标准未免太低。“我认为,我们从本质上漏掉了对信息和知识这两个概念的区分,”Wcislo说道。反对者认为认知不仅仅包括了传递信息,还应对信息做出抽象的解释,并上升到意义表达的层次。而蜘蛛网这样一堆线型图像,除去本身之外,就没有任何其他意义。

而且,新西兰坎特伯雷大学的蜘蛛行为专家 Finoa Cross 和 Robert Jackson 认为,Japyassú对于认知的定义可能低估了蜘蛛的思维能力。他们研究的对象是跳蛛,跳蛛不会结网,但是它们有时候会拨动别的蜘蛛网,诱使对方出来攻击。他们的研究认为,当跳蛛在部署计划捕猎特定的对象时,似乎会在脑海中想象一下该过程。他们在4月的一篇论文中写到,当蜘蛛面对的猎物数量与当初看到的数目相冲突时时,它们好像还能区分出“一个”,“两个”甚至“许多个”猎物。

“这些小家伙凭借这么小的神经系统,就能完成如此复杂的事情,想想就可以兴奋得整晚睡不着了。”Cross 和 Jackson 在一封邮件这样写道,“Japyassú 和 Laland 毫不惊讶于如此出众的思维能力,他们似乎在寻找一种解释,实际上,他们可能排除了蜘蛛的认知能力。”

即使不讨论实际的认知问题,哪怕仅仅证明这一论证的简单版本,即蜘蛛将解决问题的方法“外包”给它们的蜘蛛网作为哈勒定律的终结,这本身就是一个实验上的挑战。Eberhard 指出,你需要证明的是,蜘蛛网的分析能力可以节省蜘蛛额外消耗在大脑神经组织上的卡路里。这样,就要求对蜘蛛结网和利用网所消耗的能量与其完成同样操作大脑组织所消耗的能量进行量化比较。“诸如此类的研究将会是一种有趣的数据收集实验。”Eberhard 如此评价。

这种精明的信息处理过程是否存在于自然界的其他地方还不得而知。Laland 还是生态位构建(niche construction)理论的积极倡导者。该理论来自于演化论,解释了兔子挖掘地洞,水獭搭建水坝,鸟和白蚁筑巢等环境改造过程。

该理论的支持者认为,当动物搭建非自然建筑结构时,自然选择会对建筑和动物之间的互惠关系加以修饰。例如,水獭筑起的水坝改变了自然环境。改变的自然环境反过来影响动物的生存。然后生存下来的动物进一步改变环境。针对这种理论,Japyassú 认为,这种反复作用的行为模式,可能会让生态位构建者将解决问题的手段外包给它们所搭建的结构,从而使“延展认知”成为可能。

此外,更多传统的理论学家把这种结构和蜘蛛网视为延伸表型。延伸表型就是动物基因在自然环境中表达出来的信息。例如,鸟巢就是鸟类基因组通过某种形式所编码的具体实物。根据生态位构建理论,自然选择影响建筑结构,所以不同的鸟筑造的鸟巢形状也不尽相同。但是从延伸表型的观点来看,这种选择最终只会向内调整动物基因组中的控制信息。

这是个细微的差别。但是支持延伸表型理论的专家,比如牛津大学的Vollrath,认为蜘蛛网更像是蜘蛛的工具,类似于处理并简化信息的计算机。按照这个观点,随着时间不断演化,蜘蛛网逐渐成为了蜘蛛身体和感觉系统的扩展部分,与心智无关。Vollrath 的实验室很快就会启动一个新的项目,从延伸表型的角度测试蜘蛛网如何帮助蜘蛛解决问题。

Japyassú,Cheng 和其他科学家继续寻找由内而外的延展认知的实例,与此同时,评论家们认为,其实,最有力的证据就是最具形而上学思维的物种:人类自己。Cross 和 Jackson 写道:“可以这样认为,认知是综合非生物系统的一种属性,这似乎就是是我们智人的进化方向。”

文章来源:

https://www.theatlantic.com/science/archive/2017/05/spider-brain-spider-brain/528153/

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