WikiEdge:BioRxiv-2024.05.01.592020

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  • 标题：Coleoid Cephalopods Demonstrate Asocial Path to the Evolution of Big Brains
  • 中文标题：鸟翼型头足类生物展示了大脑演化的非社会途径
  • 发布日期：2024-05-01
  • 作者：Basava, K.; Bendixen, T.; Leonard, A.; George, N. L.; Vanhersecke, Z.; Omotosho, J.; Mather, J.; Muthukrishna, M.
  • 分类：evolutionary biology
  • 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.05.01.592020

摘要：社交性被认为是大脑和复杂行为演化的主要选择压力，这是基于对哺乳动物和鸟类数据的分析。鳍足类头足动物有大脑、复杂的神经系统，并表现出与鸟类、鲸类和灵长类相当的智能行为。然而，许多头足动物生活大多孤独，一生只产一次子，生命短暂，几乎没有机会进行育儿、复杂的群体动态或社会学习。需要一个考虑到这些因素的正式模型。在这里，我们对头足类软体动物进行了"非社交大脑假说"的正式模型测试。我们从3933篇关于章鱼、鱿鱼和乌贼的79种物种的出版物中编制了一个大脑大小、生态、行为、社交性和生活史的数据库，这些物种都有可比较的大脑数据。我们使用更新的系统发育关系和贝叶斯多层模型分析这些数据。在一系列预先注册的统计分析中，这些分析是从"非社交大脑假说"正式模型的预测中得出的，我们发现栖息地的影响很大，这表明生态是头足动物大脑大小的主要选择压力。我们还发现大脑大小与捕食者群体数量之间存在正相关关系，而大脑大小与社交性之间没有关系。这些结果与大脑演化的社交解释不一致，但与生态解释一致。它们强调了需要新的理论来解释大脑的更一般的演化，包括在头足动物中，这些动物在5亿多年前就与脊椎动物分化开来。

问题与动机

作者的研究问题包括：

  • 为何头足类动物（cephalopods）拥有较大的大脑和复杂的神经系统，并且表现出与鸟类、鲸类和灵长类相似的智能行为？
  • 鉴于许多头足类动物生活习性孤独、单次繁殖且寿命短，几乎没有父母照顾、复杂的群体动态或社会学习的机会，那么对于这些动物来说，社会性因素是否是大脑进化的主要选择压力？
  • 非社会性因素是否能够更好地解释头足类动物大脑大小的进化？
  • 是否需要一个新的理论模型来解释大脑的进化，尤其是对于头足类动物这种在超过5亿年前就与脊椎动物分化的物种？

背景介绍

这篇文献的背景主要集中在以下几个方面：

  1. 关于头足类动物大脑尺寸演化的现有理论：
    • 社会性被认为是推动大脑尺寸增大和复杂行为演化的主要选择压力，这一理论基于对哺乳动物和鸟类的数据。
    • 头足类动物，如章鱼、乌贼和墨鱼，拥有较大的大脑、复杂的神经系统，并显示出与鸟类、鲸类和灵长类相似的智能行为。
    • 然而，许多头足类动物主要过着独居生活，是一次性繁殖的，并且寿命短，几乎没有机会进行亲代抚育、复杂的群体动态或社会学习。
    • 需要一个正式的模型来考虑这些因素。
  2. 非社会性大脑假设（Asocial Brain Hypothesis, ABH）的提出：
    • ABH旨在解释非社会性动物群体的大脑尺寸演化，提出生态而非社会因素是头足类动物大脑尺寸演化的主要驱动力。
    • 该假设与社会性大脑假设（Social Brain Hypothesis, SBH）形成对比，后者认为社会性是大脑尺寸增大的主要解释。
    • ABH支持数学模型，该模型结合了生态、社会性、生活史和非社会与社会学习，预测了基于生态的非社会学习者的大脑尺寸演化路径，基于社会学习的社交学习者的路径，以及与人类路径一致的极端依赖社会学习的大脑尺寸演化。
  3. 对现有理论的挑战和新模型的需求：
    • 现有的大脑演化理论主要基于对哺乳动物、鸟类和昆虫的研究，但对于头足类动物等非社会性动物的研究较少。
    • 头足类动物提供了一个独特的比较案例，因为它们与脊椎动物的共同祖先可以追溯到超过5亿年前，这为研究大脑演化提供了新的视角。
    • 需要新的理论来更广泛地解释大脑的演化，包括头足类动物的大脑演化。

章节摘要

这篇论文是关于头足类动物（cephalopods）大脑尺寸演化的研究，主要内容包括：

  1. 引言 (Introduction)：
    • 论文提出了“非社会性大脑假说”（Asocial Brain Hypothesis, ABH），用于解释头足类动物大脑尺寸的演化。
    • 介绍了社会性因素通常被认为是推动大脑尺寸增大的主要选择压力。
    • 头足类动物虽然具有复杂的神经系统和智能行为，但它们大多独居、一次性繁殖且寿命短，这与社会性因素推动大脑演化的传统观点不符。
  2. 当前大脑演化理论 (Current theories of brain evolution)：
    • 论文回顾了有关大脑演化的各种理论，包括社会大脑假说（Social Brain Hypothesis, SBH）和生态复杂性对大脑尺寸的影响。
    • 讨论了社会性、生态和生活史等因素如何影响动物的大脑尺寸。
  3. 统一的大脑演化模型 (A unifying model of brain evolution)：
    • 论文介绍了一个统一的模型，该模型将社会性、生态和生活史整合到一个框架中，以预测大脑尺寸演化的不同路径。
    • 描述了“文化大脑假说”（Cultural Brain Hypothesis）和“累积文化大脑假说”（Cumulative Cultural Brain Hypothesis）。
  4. 头足类动物的独特比较案例 (Cephalopods as an unique comparative case in brain evolution)：
    • 论文讨论了头足类动物作为一种独特的比较案例，它们与人类和其他脊椎动物的共同祖先可以追溯到超过5亿年前。
    • 描述了头足类动物的认知能力、行为适应性和生活环境的多样性。
  5. 材料与方法 (Material for full list)：
    • 论文详细描述了数据收集过程，包括从3933篇出版物中提取的关于79种章鱼、乌贼和墨鱼的大脑尺寸、生态、行为、社会性和生活史的数据。
    • 介绍了如何创建一个更新的系统发育树，并对数据进行贝叶斯多层次模型分析。
  6. 结果与讨论 (Results and Discussion)：
    • 论文报告了对“非社会性大脑假说”预测的预注册测试结果，发现生态因素而非社会性因素是头足类动物大脑尺寸的主要选择压力。
    • 分析结果显示，栖息地类型、捕食者数量与大脑尺寸呈正相关，而社会性与大脑尺寸无关。
  7. 总结 (Summary)：
    • 论文总结了研究发现，强调了生态因素在头足类动物大脑尺寸演化中的重要性，并指出需要新的理论来更广泛地解释大脑的演化。
    • 讨论了研究的局限性，并对未来的研究方向提出了建议。

研究方法

这篇论文通过综合分析生态学、行为学、社会性和生命史数据，探讨了头足类（cephalopods）大脑尺寸的进化。以下是该研究方法论的主要组成部分：

  1. 数据收集与整理：
    • 从3933篇出版物中收集了79种章鱼、乌贼和墨鱼的大脑尺寸、生态、行为、社会性和生命史的数据。
    • 创建了一个包含115个变量的数据库，涵盖了从1866年到2020年7月的成年个体大脑尺寸数据。
    • 为了分析的需要，开发了一个新的系统发育树，结合了先前发表的系统发育分析和GenBank上的额外序列数据。
  2. 统计模型构建：
    • 使用贝叶斯多级模型进行数据分析，以总中枢神经系统（CNS）体积作为因变量。
    • 在模型中包括了背侧外套长度（ML）作为章鱼类体型的标准度量。
    • 所有连续变量都进行了对数转换和标准化处理，并在模型中纳入系统发育关系作为相关矩阵，以考虑物种之间的进化相关性。
    • 对于每个模型，报告了后验分布均值的点估计以及95%可信区间（CI）的上下界。
  3. 模型预测与结果解释：
    • 根据非社会性大脑假说（Asocial Brain Hypothesis, ABH）的预测进行预注册，并将其应用于头足类。
    • 发现栖息地类型、深度和捕食者数量与大脑尺寸有显著的正相关关系，而社会性与大脑尺寸的关系则不显著。
    • 这些结果与社会性解释大脑进化的理论不一致，但与生态学解释一致，强调了需要新的理论来更普遍地解释大脑的进化。
  4. 研究限制与未来方向：
    • 数据的稀疏性可能影响结果的解释，特别是对于行为复杂性的测量。
    • 需要更多的实验室和野外研究来更精确地测试行为创新率等变量的预测价值。
    • 未来的研究应该使用额外的可靠和可比的大脑数据，以及对目前没有大脑测量数据的物种进行研究。
    • 需要进一步研究以更准确地表示不同物种的行为分布，并考虑大脑结构、组织和神经元数量的测量。

这篇论文的方法论分析结果表明，头足类动物的大脑尺寸进化可能更多地受到生态学因素而非社会性因素的影响，为理解大脑尺寸进化提供了新的视角。

研究结论

根据提供的文献内容，这篇论文的主要结论可以概括如下：

  1. 生态而非社会因素解释了头足类动物的大脑尺寸：研究发现，头足类动物的大脑尺寸和复杂行为的演化主要由生态因素而非社会因素驱动。
  2. 非社会大脑假说（Asocial Brain Hypothesis, ABH）的支持：与社会大脑假说（Social Brain Hypothesis, SBH）相反，ABH得到了数据的支持，表明非社会学习者（如头足类动物）的大脑尺寸演化与生态复杂性相关。
  3. 生态复杂性与大脑尺寸的正相关性：分析结果表明，栖息地类型（尤其是底栖环境)与头足类动物的大脑尺寸呈正相关，暗示生态复杂性可能是大脑尺寸演化的主要选择压力。
  4. 社会性与大脑尺寸关系的缺失：研究发现头足类动物的社会性与大脑尺寸之间没有正向关系，这与社会大脑假说相矛盾。
  5. 非社会学习者的社会性与大脑尺寸无关：研究结果与非社会大脑假说一致，表明非社会学习者（如头足类动物）的社会性与大脑尺寸之间关系较弱或不存在。
  6. 生态和生活史因素的重要性：研究强调了生态和生活史因素在解释大脑尺寸演化中的重要性，尤其是在非社会性动物中。
  7. 对新理论的需求：研究结果强调了需要新理论来更广泛地解释大脑的演化，包括在头足类动物中的演化，这些动物在超过5亿年前就与脊椎动物分化了。

术语表

这篇文章的术语表如下：

  • 非社会性大脑假说（Asocial Brain Hypothesis）：该假说认为，非社会性学习者的大脑进化并非主要受社会性因素的影响，而是生态因素，如环境复杂性，是推动头足类动物大脑大小进化的主要选择压力。
  • 社会性大脑假说（Social Brain Hypothesis）：该假说认为，社会性是推动灵长类动物大脑大小进化的主要选择压力，预测更大的大脑是为了应对社会群体生活的复杂需求。
  • 文化大脑假说（Cultural Brain Hypothesis）：描述了通过社会学习途径向更大大脑进化的预测，已经在灵长类动物和鲸类中进行了测试。
  • 累积文化大脑假说（Cumulative Cultural Brain Hypothesis）：揭示了社会学习路径中导致与人类路径一致的自我催化起飞的狭窄参数集，以文化和技术的不断依赖为特征。
  • 头足类动物（cephalopods）：一类具有高度灵活的身体、认知和行为的海洋无脊椎动物，包括章鱼、乌贼和墨鱼等。
  • 脑化（encephalization）：指动物大脑相对于身体大小的比例增加的过程。
  • 认知能力（cognitive abilities）：包括学习、记忆、问题解决和使用工具等心理能力。
  • 捕食压力（predation pressures）：捕食者对猎物种群施加的捕食选择压力。
  • 性选择竞争（sexual competition）：性选择过程中，个体之间为吸引配偶而进行的竞争。
  • 亲代抚育（parental care）：亲代对后代提供保护和营养的行为。
  • 生活史（life history）：生物的生命周期，包括出生、成长、繁殖和死亡的整个过程。
  • 生态复杂性（ecological complexity）：生态系统中物种多样性、能量可用性和环境条件的复杂性。
  • 行为库（behavioral repertoire）：一个物种所能表现出的全部行为模式的集合。
  • 性成熟（sexual maturity）：个体发育到能够进行繁殖的阶段。
  • 贝叶斯多层模型（Bayesian multilevel models）：一种统计模型，用于分析具有层次结构的数据，可以包含随机效应。
  • 系统发育关系（phylogenetic relationships）：物种之间的进化历史和亲缘关系。
  • 大脑大小（brain size）：通常用来衡量动物的认知能力和行为复杂性的指标。
  • 社会性（sociality）：动物在社会群体中生活和互动的程度。
  • 生态学（ecology）：研究生物体与其环境之间相互作用的学科。
  • 适应性知识（adaptive knowledge）：有助于生物适应环境并提高其生存和繁殖成功率的知识。
  • 共同进化（coevolution）：两个或多个物种之间相互影响而进化的过程。
  • 神经解剖学（neuroanatomy）：研究神经系统和大脑结构的学科。
  • 性选择（sexual selection）：达尔文提出的自然选择的一种形式，指动物因性别差异而产生的有利于繁殖的特征。
  • 大脑进化（brain evolution）：大脑结构和功能随时间演变的过程。
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