WikiEdge:BioRxiv-2024.09.17.613411

• 標題：The coevolution of encephalization and manual dexterity in hominins and other primates
• 中文標題：人類和其他靈長類動物的腦化和手部靈巧性的共演化
• 發佈日期：2024-09-21
• 作者：Baker, J.; Barton, R. A.; Venditti, C.
• 分類：evolutionary biology
• 原文連結：10.1101/2024.09.17.613411

摘要：人類的手是我們最顯著的特徵之一。我們有長而可對抗的拇指和一系列其他特徵，這些特徵被認為是適應於與環境互動和操縱環境的適應性，從字面上擴展了我們的認知能力的範圍。因此，增強的操縱靈巧、工具使用和大腦大小的增加被認為是我們祖先進化的關鍵特徵。這個假設預測，解剖靈巧和大腦大小是共同演化的，這應該在手的形態中有所體現。為了測試這個假設，以及理解人類演化可能如何偏離任何一般的靈長類趨勢，我們收集了94種滅絕和現存靈長類物種的手指長度、拇指長度和大腦大小的數據集。使用系統比較方法，我們揭示了大腦大小和相對拇指長度之間的強烈靈長類關聯。我們進一步證明，這種一般關聯準確地預測了這些特徵在人類中的共同演化。雖然人類的拇指相比其他靈長類物種顯著長，但我們推斷它們是由作用於整個靈長類秩序的同一基礎演化過程產生的：與專門的神經控制過程相關的增加的操縱能力。我們恢復的關係與操縱、工具使用和認知之間的正反饋一致，因此可能在一定程度上解釋了靈長類，特別是人類大腦大小的演化趨勢。我們的結果強調了操縱能力在認知演化中的作用，並強調了神經和身體適應性是相互聯繫的。

問題與動機

作者面對的研究問題包括：

• 人類的手部特徵，特別是長拇指，是如何與其他靈長類動物的手部特徵共同進化的？
• 靈長類動物的大腦大小和手部操作能力（以手指長度和拇指長度為指標）之間是否存在共同進化的關係？
• 人類祖先的進化是否偏離了其他靈長類動物的一般趨勢？
• 人類和其他靈長類動物的大腦大小與相對拇指長度之間的關聯是否普遍存在？
• 人類祖先的長拇指是否是與其他靈長類動物不同的特殊適應？
• 人類祖先的長拇指是否與提高認知能力相關聯，特別是與操作能力相關的？
• 人類祖先的長拇指是否與工具使用和製造有關？

背景介紹

這篇文獻的背景主要集中在以下幾個方面：

• 人類手部特徵的演化
  • 人類的手部特徵，特別是長而對立的拇指和其他特徵，被認為是與環境互動和操作環境的適應性特徵，實際上擴展了我們的認知能力。
  • 增強的操作靈巧性、工具使用和大腦尺寸的增加被認為是我們祖先演化的關鍵特徵。
  • 這一假設預測解剖學上的靈巧性和大腦尺寸是共同演化的，並且這應該在手的形態上有所體現。
• 靈巧性和大腦尺寸的共同演化
  • 在人類中，手動靈巧性和認知功能之間的關聯在實驗環境中得到了很好的建立，通常認為認知能力與工具使用和靈巧性相關。
  • 工具使用在幾種靈長類動物中都有觀察到，實際上是更廣泛的與提取性覓食相關的技能的一種表現。
  • 這些行為需要增加視覺-運動和認知技能，例如學習和執行複雜動作序列的能力，並已與大腦尺寸相關聯。
• 靈長類動物大腦尺寸與操作靈巧性的關聯
  • 有趣的是，有證據表明複雜的操作行為與靈長類動物的大腦尺寸共同演化，但這在形態特徵上如何反映出來，這些特徵是響應自然選擇而變化的，並促進行為？
  • 專注於形態學可以增強我們對操作和神經認知演化之間相互關係重要性的理解。
  • 此外，我們還可以在像我們自己的祖先這樣的滅絕物種中測試它們——在這些物種中行為是不可觀的。

綜上所述，這篇文獻的背景強調了靈長類動物中大腦尺寸與手動靈巧性之間關係的探索，以及這種關係如何在人類和其他靈長類動物中共同演化。

章節摘要

這篇論文探討了靈長類動物大腦體積和手部靈巧性之間的共同進化關係。主要內容包括：

1. 摘要：人類手部的顯著特徵包括長的可對握的拇指和其他被認為與環境互動和操作有關的適應性特徵。這些特徵實際上擴展了我們的認知能力。因此，增強的操作靈巧性、工具使用和大腦尺寸的增加被認為是我們祖先進化的關鍵特徵。研究假設解剖學上的靈巧性和大腦尺寸是共同進化的，並且這種關係應該在手的形態上有所體現。
2. 引言：在人類中，手動靈巧性和認知功能之間的聯繫在實驗環境中得到了很好的證實，通常認為認知能力與工具使用和靈巧性有關。然而，工具使用在幾種靈長類動物中都有觀察到，並且與提取性覓食的更廣泛技能有關。這些行為需要增加視覺-運動和認知技能，如學習和執行複雜動作序列的能力，並已與大腦尺寸相關聯。
3. 方法論：研究者收集了94種滅絕和現存靈長類動物的手指長度、拇指長度和大腦尺寸的數據集。使用系統發育比較方法，揭示了大腦尺寸和相對拇指長度之間的強烈靈長類普遍聯繫。此外，研究表明這種普遍聯繫準確地預測了這些特徵在古人類的共同進化。
4. 結果：儘管古人類的拇指比其他靈長類動物顯著更長，但研究推斷它們是由整個靈長類動物秩序中起作用的相同潛在進化過程產生的：與專門化的神經控制過程相關的操作能力增加。我們恢復的關係與操作、工具使用和認知之間的正反饋一致，因此可能在一定程度上解釋了靈長類動物大腦尺寸的進化趨勢，特別是在古人類中。
5. 討論：研究結果強調了操作能力在認知進化中的作用，並強調了神經和身體適應之間的相互聯繫。

研究方法

這篇論文通過比較系統發育分析、手部形態測量和大腦容量數據，探討了靈長類動物的手部靈活性和大腦大小的共同進化。以下是該研究方法論的主要組成部分：

• 系統發育分析
  • 使用系統發育比較方法，特別是系統發育廣義最小二乘法（PGLS），來分析手部形態和大腦大小之間的關係。
  • 利用貝葉斯馬爾可夫鏈蒙特卡洛（MCMC）框架來實施PGLS回歸模型，考慮了系統發育不確定性。
  • 對數據進行系統發育插補和異常值檢測，以預測和評估古人類物種的拇指長度。
• 手部形態測量
  • 收集了94種化石和現代靈長類物種的手指長度、拇指長度數據。
  • 使用第一和第二掌骨長度作為拇指和手指長度的代理，以測量相對拇指長度和手的內在比例。
  • 考慮了包括手指骨在內的其他測量方法，以驗證結果的穩健性。
• 大腦容量數據
  • 收集了這些物種的大腦質量數據，包括化石和現代物種。
  • 對於化石物種，將內顱體積轉換為大腦質量，使用特定的轉換因子。
• 工具使用數據
  • 收集了關於靈長類動物工具使用的數據，用於分析工具使用與手部形態之間的關係。
  • 使用了已發表的全面工具使用目錄，並考慮了不同的工具使用定義。
• 綜合分析
  • 將手部形態、大腦容量和工具使用數據結合起來，評估了這些特徵在靈長類動物中的共同進化。
  • 討論了手部靈活性、工具使用和認知能力之間的關係，以及這些特徵如何反映在靈長類動物的形態上。

這篇論文的方法論分析結果表明，靈長類動物的相對拇指長度和大腦大小之間存在顯著的正相關關係，這一關係在古人類物種中也得到了體現，強調了手部靈活性在認知進化中的重要性。

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：

• 人類手部的顯著特徵之一是我們擁有長的、可對握的拇指和其他被認為適應於與環境互動和操作的特徵，這實際上擴展了我們認知能力的範圍。
• 增強的操作靈巧性、工具使用和大腦尺寸的增加被認為是我們祖先進化的關鍵特徵。
• 研究者收集了94種已滅絕和現存靈長類動物的手指長度、拇指長度和大腦尺寸的數據集，使用系統發育比較方法揭示了大腦尺寸和相對拇指長度之間在靈長類動物中普遍存在的強烈關聯。
• 儘管與其他靈長類動物相比，人類的拇指顯著較長，但研究推斷這是由整個靈長類動物目中起作用的相同潛在進化過程產生的：與專門的神經控制過程相關的操作能力增加。
• 我們發現，大腦尺寸和拇指長度之間存在顯著的正相關關係，考慮到了指長等異速生長效應。
• 這種一般關聯準確地預測了這些特徵在古人類的共同進化。
• 我們的研究結果強調了操作能力在認知進化中的作用，並強調了神經和身體適應之間的相互聯繫。

術語表

這篇文章的術語表如下：

• 對生拇指（Opposable thumb）：一種靈長類動物特有的特徵，拇指與其他手指相對，可以靈活地操作物體。
• 腦化指數（Encephalization）：指動物大腦相對於其身體大小的比例，通常用來衡量動物的認知能力。
• 靈長類（Primates）：哺乳綱下的一目，包括猴子、猿和人類等，以立體視覺、對生拇指和大大腦為特徵。
• 手部操作（Manual dexterity）：指用手進行精細操作的能力。
• 工具使用（Tool use）：指動物使用或製造工具以達到特定目的的行為。
• 認知能力（Cognitive abilities）：指個體處理信息、學習、記憶、思考和理解的能力。
• 神經控制（Neural control）：指神經系統對肌肉和身體動作的控制。
• 正反饋（Positive feedback）：指一個系統中，某個過程的輸出增加了該過程的輸入，導致該過程進一步增強的現象。
• 系統發育比較方法（Phylogenetic comparative methods）：一種統計方法，用於分析和比較不同物種的進化關係和特徵。
• 系統發育信號（Phylogenetic signal）：指系統發育樹中分支模式的一致性，反映了物種間相似性的系統發育歷史。
• 系統發育異常值測試（Phylogenetic outlier tests）：用於識別在系統發育樹中與其他物種相比具有顯著不同特徵的物種。
• 皮爾遜相關係數（Pearson correlation coefficient）：用於度量兩個變量之間線性相關強度的統計量。
• 貝葉斯平均值（Bayesian mean）：貝葉斯統計中用於表示參數估計的中心趨勢的值。
• 大腦皮層（Neocortex）：大腦的外層，負責處理高級認知功能。
• 小腦（Cerebellum）：大腦的一部分，主要負責協調運動和維持身體平衡。
• 內稟手長（Intrinsic hand length）：指手部骨骼的長度，用于衡量手的相對大小。
• 第一掌骨（First metacarpal）：手部的五根掌骨中連接拇指的部分。
• 第二掌骨（Second metacarpal）：手部的五根掌骨中連接食指的部分。
• 化石靈長類（Fossil primates）：已經滅絕的靈長類動物的化石記錄。
• 現生靈長類（Extant primates）：仍然存活的靈長類動物。
• 系統發育樹（Phylogenetic tree）：一種圖示，表示物種之間的進化關係。