WikiEdge:BioRxiv-2024.05.01.592020

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  • 標題：Coleoid Cephalopods Demonstrate Asocial Path to the Evolution of Big Brains
  • 中文標題：鳥翼型頭足類生物展示了大腦演化的非社會途徑
  • 發佈日期：2024-05-01
  • 作者：Basava, K.; Bendixen, T.; Leonard, A.; George, N. L.; Vanhersecke, Z.; Omotosho, J.; Mather, J.; Muthukrishna, M.
  • 分類：evolutionary biology
  • 原文連結：https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.05.01.592020

摘要：社交性被認為是大腦和複雜行為演化的主要選擇壓力，這是基於對哺乳動物和鳥類數據的分析。鰭足類頭足動物有大腦、複雜的神經系統，並表現出與鳥類、鯨類和靈長類相當的智能行為。然而，許多頭足動物生活大多孤獨，一生只產一次子，生命短暫，幾乎沒有機會進行育兒、複雜的群體動態或社會學習。需要一個考慮到這些因素的正式模型。在這裏，我們對頭足類軟體動物進行了"非社交大腦假說"的正式模型測試。我們從3933篇關於章魚、魷魚和烏賊的79種物種的出版物中編制了一個大腦大小、生態、行為、社交性和生活史的數據庫，這些物種都有可比較的大腦數據。我們使用更新的系統發育關係和貝葉斯多層模型分析這些數據。在一系列預先註冊的統計分析中，這些分析是從"非社交大腦假說"正式模型的預測中得出的，我們發現棲息地的影響很大，這表明生態是頭足動物大腦大小的主要選擇壓力。我們還發現大腦大小與捕食者群體數量之間存在正相關關係，而大腦大小與社交性之間沒有關係。這些結果與大腦演化的社交解釋不一致，但與生態解釋一致。它們強調了需要新的理論來解釋大腦的更一般的演化，包括在頭足動物中，這些動物在5億多年前就與脊椎動物分化開來。

問題與動機

作者的研究問題包括：

  • 為何頭足類動物（cephalopods）擁有較大的大腦和複雜的神經系統，並且表現出與鳥類、鯨類和靈長類相似的智能行為？
  • 鑑於許多頭足類動物生活習性孤獨、單次繁殖且壽命短，幾乎沒有父母照顧、複雜的群體動態或社會學習的機會，那麼對於這些動物來說，社會性因素是否是大腦進化的主要選擇壓力？
  • 非社會性因素是否能夠更好地解釋頭足類動物大腦大小的進化？
  • 是否需要一個新的理論模型來解釋大腦的進化，尤其是對於頭足類動物這種在超過5億年前就與脊椎動物分化的物種？

背景介紹

這篇文獻的背景主要集中在以下幾個方面：

  1. 關於頭足類動物大腦尺寸演化的現有理論：
    • 社會性被認為是推動大腦尺寸增大和複雜行為演化的主要選擇壓力，這一理論基於對哺乳動物和鳥類的數據。
    • 頭足類動物，如章魚、烏賊和墨魚，擁有較大的大腦、複雜的神經系統，並顯示出與鳥類、鯨類和靈長類相似的智能行為。
    • 然而，許多頭足類動物主要過着獨居生活，是一次性繁殖的，並且壽命短，幾乎沒有機會進行親代撫育、複雜的群體動態或社會學習。
    • 需要一個正式的模型來考慮這些因素。
  2. 非社會性大腦假設（Asocial Brain Hypothesis, ABH）的提出：
    • ABH旨在解釋非社會性動物群體的大腦尺寸演化，提出生態而非社會因素是頭足類動物大腦尺寸演化的主要驅動力。
    • 該假設與社會性大腦假設（Social Brain Hypothesis, SBH）形成對比，後者認為社會性是大腦尺寸增大的主要解釋。
    • ABH支持數學模型，該模型結合了生態、社會性、生活史和非社會與社會學習，預測了基於生態的非社會學習者的大腦尺寸演化路徑，基於社會學習的社交學習者的路徑，以及與人類路徑一致的極端依賴社會學習的大腦尺寸演化。
  3. 對現有理論的挑戰和新模型的需求：
    • 現有的大腦演化理論主要基於對哺乳動物、鳥類和昆蟲的研究，但對於頭足類動物等非社會性動物的研究較少。
    • 頭足類動物提供了一個獨特的比較案例，因為它們與脊椎動物的共同祖先可以追溯到超過5億年前，這為研究大腦演化提供了新的視角。
    • 需要新的理論來更廣泛地解釋大腦的演化，包括頭足類動物的大腦演化。

章節摘要

這篇論文是關於頭足類動物（cephalopods）大腦尺寸演化的研究，主要內容包括：

  1. 引言 (Introduction)：
    • 論文提出了「非社會性大腦假說」（Asocial Brain Hypothesis, ABH），用於解釋頭足類動物大腦尺寸的演化。
    • 介紹了社會性因素通常被認為是推動大腦尺寸增大的主要選擇壓力。
    • 頭足類動物雖然具有複雜的神經系統和智能行為，但它們大多獨居、一次性繁殖且壽命短，這與社會性因素推動大腦演化的傳統觀點不符。
  2. 當前大腦演化理論 (Current theories of brain evolution)：
    • 論文回顧了有關大腦演化的各種理論，包括社會大腦假說（Social Brain Hypothesis, SBH）和生態複雜性對大腦尺寸的影響。
    • 討論了社會性、生態和生活史等因素如何影響動物的大腦尺寸。
  3. 統一的大腦演化模型 (A unifying model of brain evolution)：
    • 論文介紹了一個統一的模型，該模型將社會性、生態和生活史整合到一個框架中，以預測大腦尺寸演化的不同路徑。
    • 描述了「文化大腦假說」（Cultural Brain Hypothesis）和「累積文化大腦假說」（Cumulative Cultural Brain Hypothesis）。
  4. 頭足類動物的獨特比較案例 (Cephalopods as an unique comparative case in brain evolution)：
    • 論文討論了頭足類動物作為一種獨特的比較案例，它們與人類和其他脊椎動物的共同祖先可以追溯到超過5億年前。
    • 描述了頭足類動物的認知能力、行為適應性和生活環境的多樣性。
  5. 材料與方法 (Material for full list)：
    • 論文詳細描述了數據收集過程，包括從3933篇出版物中提取的關於79種章魚、烏賊和墨魚的大腦尺寸、生態、行為、社會性和生活史的數據。
    • 介紹了如何創建一個更新的系統發育樹，並對數據進行貝葉斯多層次模型分析。
  6. 結果與討論 (Results and Discussion)：
    • 論文報告了對「非社會性大腦假說」預測的預註冊測試結果，發現生態因素而非社會性因素是頭足類動物大腦尺寸的主要選擇壓力。
    • 分析結果顯示，棲息地類型、捕食者數量與大腦尺寸呈正相關，而社會性與大腦尺寸無關。
  7. 總結 (Summary)：
    • 論文總結了研究發現，強調了生態因素在頭足類動物大腦尺寸演化中的重要性，並指出需要新的理論來更廣泛地解釋大腦的演化。
    • 討論了研究的局限性，並對未來的研究方向提出了建議。

研究方法

這篇論文通過綜合分析生態學、行為學、社會性和生命史數據，探討了頭足類（cephalopods）大腦尺寸的進化。以下是該研究方法論的主要組成部分：

  1. 數據收集與整理：
    • 從3933篇出版物中收集了79種章魚、烏賊和墨魚的大腦尺寸、生態、行為、社會性和生命史的數據。
    • 創建了一個包含115個變量的數據庫，涵蓋了從1866年到2020年7月的成年個體大腦尺寸數據。
    • 為了分析的需要，開發了一個新的系統發育樹，結合了先前發表的系統發育分析和GenBank上的額外序列數據。
  2. 統計模型構建：
    • 使用貝葉斯多級模型進行數據分析，以總中樞神經系統（CNS）體積作為因變量。
    • 在模型中包括了背側外套長度（ML）作為章魚類體型的標準度量。
    • 所有連續變量都進行了對數轉換和標準化處理，並在模型中納入系統發育關係作為相關矩陣，以考慮物種之間的進化相關性。
    • 對於每個模型，報告了後驗分佈均值的點估計以及95%可信區間（CI）的上下界。
  3. 模型預測與結果解釋：
    • 根據非社會性大腦假說（Asocial Brain Hypothesis, ABH）的預測進行預註冊，並將其應用於頭足類。
    • 發現棲息地類型、深度和捕食者數量與大腦尺寸有顯著的正相關關係，而社會性與大腦尺寸的關係則不顯著。
    • 這些結果與社會性解釋大腦進化的理論不一致，但與生態學解釋一致，強調了需要新的理論來更普遍地解釋大腦的進化。
  4. 研究限制與未來方向：
    • 數據的稀疏性可能影響結果的解釋，特別是對於行為複雜性的測量。
    • 需要更多的實驗室和野外研究來更精確地測試行為創新率等變量的預測價值。
    • 未來的研究應該使用額外的可靠和可比的大腦數據，以及對目前沒有大腦測量數據的物種進行研究。
    • 需要進一步研究以更準確地表示不同物種的行為分佈，並考慮大腦結構、組織和神經元數量的測量。

這篇論文的方法論分析結果表明，頭足類動物的大腦尺寸進化可能更多地受到生態學因素而非社會性因素的影響，為理解大腦尺寸進化提供了新的視角。

研究結論

根據提供的文獻內容，這篇論文的主要結論可以概括如下：

  1. 生態而非社會因素解釋了頭足類動物的大腦尺寸：研究發現，頭足類動物的大腦尺寸和複雜行為的演化主要由生態因素而非社會因素驅動。
  2. 非社會大腦假說（Asocial Brain Hypothesis, ABH）的支持：與社會大腦假說（Social Brain Hypothesis, SBH）相反，ABH得到了數據的支持，表明非社會學習者（如頭足類動物）的大腦尺寸演化與生態複雜性相關。
  3. 生態複雜性與大腦尺寸的正相關性：分析結果表明，棲息地類型（尤其是底棲環境)與頭足類動物的大腦尺寸呈正相關，暗示生態複雜性可能是大腦尺寸演化的主要選擇壓力。
  4. 社會性與大腦尺寸關係的缺失：研究發現頭足類動物的社會性與大腦尺寸之間沒有正向關係，這與社會大腦假說相矛盾。
  5. 非社會學習者的社會性與大腦尺寸無關：研究結果與非社會大腦假說一致，表明非社會學習者（如頭足類動物）的社會性與大腦尺寸之間關係較弱或不存在。
  6. 生態和生活史因素的重要性：研究強調了生態和生活史因素在解釋大腦尺寸演化中的重要性，尤其是在非社會性動物中。
  7. 對新理論的需求：研究結果強調了需要新理論來更廣泛地解釋大腦的演化，包括在頭足類動物中的演化，這些動物在超過5億年前就與脊椎動物分化了。

術語表

這篇文章的術語表如下：

  • 非社會性大腦假說（Asocial Brain Hypothesis）：該假說認為，非社會性學習者的大腦進化並非主要受社會性因素的影響，而是生態因素，如環境複雜性，是推動頭足類動物大腦大小進化的主要選擇壓力。
  • 社會性大腦假說（Social Brain Hypothesis）：該假說認為，社會性是推動靈長類動物大腦大小進化的主要選擇壓力，預測更大的大腦是為了應對社會群體生活的複雜需求。
  • 文化大腦假說（Cultural Brain Hypothesis）：描述了通過社會學習途徑向更大大腦進化的預測，已經在靈長類動物和鯨類中進行了測試。
  • 累積文化大腦假說（Cumulative Cultural Brain Hypothesis）：揭示了社會學習路徑中導致與人類路徑一致的自我催化起飛的狹窄參數集，以文化和技術的不斷依賴為特徵。
  • 頭足類動物（cephalopods）：一類具有高度靈活的身體、認知和行為的海洋無脊椎動物，包括章魚、烏賊和墨魚等。
  • 腦化（encephalization）：指動物大腦相對於身體大小的比例增加的過程。
  • 認知能力（cognitive abilities）：包括學習、記憶、問題解決和使用工具等心理能力。
  • 捕食壓力（predation pressures）：捕食者對獵物種群施加的捕食選擇壓力。
  • 性選擇競爭（sexual competition）：性選擇過程中，個體之間為吸引配偶而進行的競爭。
  • 親代撫育（parental care）：親代對後代提供保護和營養的行為。
  • 生活史（life history）：生物的生命周期，包括出生、成長、繁殖和死亡的整個過程。
  • 生態複雜性（ecological complexity）：生態系統中物種多樣性、能量可用性和環境條件的複雜性。
  • 行為庫（behavioral repertoire）：一個物種所能表現出的全部行為模式的集合。
  • 性成熟（sexual maturity）：個體發育到能夠進行繁殖的階段。
  • 貝葉斯多層模型（Bayesian multilevel models）：一種統計模型，用於分析具有層次結構的數據，可以包含隨機效應。
  • 系統發育關係（phylogenetic relationships）：物種之間的進化歷史和親緣關係。
  • 大腦大小（brain size）：通常用來衡量動物的認知能力和行為複雜性的指標。
  • 社會性（sociality）：動物在社會群體中生活和互動的程度。
  • 生態學（ecology）：研究生物體與其環境之間相互作用的學科。
  • 適應性知識（adaptive knowledge）：有助於生物適應環境並提高其生存和繁殖成功率的知識。
  • 共同進化（coevolution）：兩個或多個物種之間相互影響而進化的過程。
  • 神經解剖學（neuroanatomy）：研究神經系統和大腦結構的學科。
  • 性選擇（sexual selection）：達爾文提出的自然選擇的一種形式，指動物因性別差異而產生的有利於繁殖的特徵。
  • 大腦進化（brain evolution）：大腦結構和功能隨時間演變的過程。
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