WikiEdge:BioRxiv-2024.09.17.613411

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  • 标题：The coevolution of encephalization and manual dexterity in hominins and other primates
  • 中文标题：人类和其他灵长类动物的脑化和手部灵巧性的共演化
  • 发布日期：2024-09-21
  • 作者：Baker, J.; Barton, R. A.; Venditti, C.
  • 分类：evolutionary biology
  • 原文链接：10.1101/2024.09.17.613411

摘要：人类的手是我们最显著的特征之一。我们有长而可对抗的拇指和一系列其他特征，这些特征被认为是适应于与环境互动和操纵环境的适应性，从字面上扩展了我们的认知能力的范围。因此，增强的操纵灵巧、工具使用和大脑大小的增加被认为是我们祖先进化的关键特征。这个假设预测，解剖灵巧和大脑大小是共同演化的，这应该在手的形态中有所体现。为了测试这个假设，以及理解人类演化可能如何偏离任何一般的灵长类趋势，我们收集了94种灭绝和现存灵长类物种的手指长度、拇指长度和大脑大小的数据集。使用系统比较方法，我们揭示了大脑大小和相对拇指长度之间的强烈灵长类关联。我们进一步证明，这种一般关联准确地预测了这些特征在人类中的共同演化。虽然人类的拇指相比其他灵长类物种显著长，但我们推断它们是由作用于整个灵长类秩序的同一基础演化过程产生的：与专门的神经控制过程相关的增加的操纵能力。我们恢复的关系与操纵、工具使用和认知之间的正反馈一致，因此可能在一定程度上解释了灵长类，特别是人类大脑大小的演化趋势。我们的结果强调了操纵能力在认知演化中的作用，并强调了神经和身体适应性是相互联系的。

问题与动机

作者面对的研究问题包括：

背景介绍

这篇文献的背景主要集中在以下几个方面：

  • 人类手部特征的演化
    • 人类的手部特征，特别是长而对立的拇指和其他特征，被认为是与环境互动和操作环境的适应性特征，实际上扩展了我们的认知能力。
    • 增强的操作灵巧性、工具使用和大脑尺寸的增加被认为是我们祖先演化的关键特征。
    • 这一假设预测解剖学上的灵巧性和大脑尺寸是共同演化的，并且这应该在手的形态上有所体现。
  • 灵巧性和大脑尺寸的共同演化
    • 在人类中，手动灵巧性和认知功能之间的关联在实验环境中得到了很好的建立，通常认为认知能力与工具使用和灵巧性相关。
    • 工具使用在几种灵长类动物中都有观察到，实际上是更广泛的与提取性觅食相关的技能的一种表现。
    • 这些行为需要增加视觉-运动和认知技能，例如学习和执行复杂动作序列的能力，并已与大脑尺寸相关联。
  • 灵长类动物大脑尺寸与操作灵巧性的关联
    • 有趣的是，有证据表明复杂的操作行为与灵长类动物的大脑尺寸共同演化，但这在形态特征上如何反映出来，这些特征是响应自然选择而变化的，并促进行为？
    • 专注于形态学可以增强我们对操作和神经认知演化之间相互关系重要性的理解。
    • 此外，我们还可以在像我们自己的祖先这样的灭绝物种中测试它们——在这些物种中行为是不可观的。

综上所述，这篇文献的背景强调了灵长类动物中大脑尺寸与手动灵巧性之间关系的探索，以及这种关系如何在人类和其他灵长类动物中共同演化。

章节摘要

这篇论文探讨了灵长类动物大脑体积和手部灵巧性之间的共同进化关系。主要内容包括：

  1. 摘要：人类手部的显著特征包括长的可对握的拇指和其他被认为与环境互动和操作有关的适应性特征。这些特征实际上扩展了我们的认知能力。因此，增强的操作灵巧性、工具使用和大脑尺寸的增加被认为是我们祖先进化的关键特征。研究假设解剖学上的灵巧性和大脑尺寸是共同进化的，并且这种关系应该在手的形态上有所体现。
  2. 引言：在人类中，手动灵巧性和认知功能之间的联系在实验环境中得到了很好的证实，通常认为认知能力与工具使用和灵巧性有关。然而，工具使用在几种灵长类动物中都有观察到，并且与提取性觅食的更广泛技能有关。这些行为需要增加视觉-运动和认知技能，如学习和执行复杂动作序列的能力，并已与大脑尺寸相关联。
  3. 方法论：研究者收集了94种灭绝和现存灵长类动物的手指长度、拇指长度和大脑尺寸的数据集。使用系统发育比较方法，揭示了大脑尺寸和相对拇指长度之间的强烈灵长类普遍联系。此外，研究表明这种普遍联系准确地预测了这些特征在古人类的共同进化。
  4. 结果：尽管古人类的拇指比其他灵长类动物显著更长，但研究推断它们是由整个灵长类动物秩序中起作用的相同潜在进化过程产生的：与专门化的神经控制过程相关的操作能力增加。我们恢复的关系与操作、工具使用和认知之间的正反馈一致，因此可能在一定程度上解释了灵长类动物大脑尺寸的进化趋势，特别是在古人类中。
  5. 讨论：研究结果强调了操作能力在认知进化中的作用，并强调了神经和身体适应之间的相互联系。

研究方法

这篇论文通过比较系统发育分析、手部形态测量和大脑容量数据，探讨了灵长类动物的手部灵活性和大脑大小的共同进化。以下是该研究方法论的主要组成部分：

  • 系统发育分析
  • 手部形态测量
    • 收集了94种化石和现代灵长类物种的手指长度、拇指长度数据。
    • 使用第一和第二掌骨长度作为拇指和手指长度的代理，以测量相对拇指长度和手的内在比例。
    • 考虑了包括手指骨在内的其他测量方法，以验证结果的稳健性。
  • 大脑容量数据
    • 收集了这些物种的大脑质量数据，包括化石和现代物种。
    • 对于化石物种，将内颅体积转换为大脑质量，使用特定的转换因子。
  • 工具使用数据
    • 收集了关于灵长类动物工具使用的数据，用于分析工具使用与手部形态之间的关系。
    • 使用了已发表的全面工具使用目录，并考虑了不同的工具使用定义。
  • 综合分析
    • 将手部形态、大脑容量和工具使用数据结合起来，评估了这些特征在灵长类动物中的共同进化。
    • 讨论了手部灵活性、工具使用和认知能力之间的关系，以及这些特征如何反映在灵长类动物的形态上。

这篇论文的方法论分析结果表明，灵长类动物的相对拇指长度和大脑大小之间存在显著的正相关关系，这一关系在古人类物种中也得到了体现，强调了手部灵活性在认知进化中的重要性。

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：

  • 人类手部的显著特征之一是我们拥有长的、可对握的拇指和其他被认为适应于与环境互动和操作的特征，这实际上扩展了我们认知能力的范围。
  • 增强的操作灵巧性、工具使用和大脑尺寸的增加被认为是我们祖先进化的关键特征。
  • 研究者收集了94种已灭绝和现存灵长类动物的手指长度、拇指长度和大脑尺寸的数据集，使用系统发育比较方法揭示了大脑尺寸和相对拇指长度之间在灵长类动物中普遍存在的强烈关联。
  • 尽管与其他灵长类动物相比，人类的拇指显著较长，但研究推断这是由整个灵长类动物目中起作用的相同潜在进化过程产生的：与专门的神经控制过程相关的操作能力增加。
  • 我们发现，大脑尺寸和拇指长度之间存在显著的正相关关系，考虑到了指长等异速生长效应。
  • 这种一般关联准确地预测了这些特征在古人类的共同进化。
  • 我们的研究结果强调了操作能力在认知进化中的作用，并强调了神经和身体适应之间的相互联系。

术语表

这篇文章的术语表如下：

  • 对生拇指（Opposable thumb）：一种灵长类动物特有的特征，拇指与其他手指相对，可以灵活地操作物体。
  • 脑化指数（Encephalization）：指动物大脑相对于其身体大小的比例，通常用来衡量动物的认知能力。
  • 灵长类（Primates）：哺乳纲下的一目，包括猴子、猿和人类等，以立体视觉、对生拇指和大大脑为特征。
  • 手部操作（Manual dexterity）：指用手进行精细操作的能力。
  • 工具使用（Tool use）：指动物使用或制造工具以达到特定目的的行为。
  • 认知能力（Cognitive abilities）：指个体处理信息、学习、记忆、思考和理解的能力。
  • 神经控制（Neural control）：指神经系统对肌肉和身体动作的控制。
  • 正反馈（Positive feedback）：指一个系统中，某个过程的输出增加了该过程的输入，导致该过程进一步增强的现象。
  • 系统发育比较方法（Phylogenetic comparative methods）：一种统计方法，用于分析和比较不同物种的进化关系和特征。
  • 系统发育信号（Phylogenetic signal）：指系统发育树中分支模式的一致性，反映了物种间相似性的系统发育历史。
  • 系统发育异常值测试（Phylogenetic outlier tests）：用于识别在系统发育树中与其他物种相比具有显著不同特征的物种。
  • 皮尔逊相关系数（Pearson correlation coefficient）：用于度量两个变量之间线性相关强度的统计量。
  • 贝叶斯平均值（Bayesian mean）：贝叶斯统计中用于表示参数估计的中心趋势的值。
  • 大脑皮层（Neocortex）：大脑的外层，负责处理高级认知功能。
  • 小脑（Cerebellum）：大脑的一部分，主要负责协调运动和维持身体平衡。
  • 内禀手长（Intrinsic hand length）：指手部骨骼的长度，用于衡量手的相对大小。
  • 第一掌骨（First metacarpal）：手部的五根掌骨中连接拇指的部分。
  • 第二掌骨（Second metacarpal）：手部的五根掌骨中连接食指的部分。
  • 化石灵长类（Fossil primates）：已经灭绝的灵长类动物的化石记录。
  • 现生灵长类（Extant primates）：仍然存活的灵长类动物。
  • 系统发育树（Phylogenetic tree）：一种图示，表示物种之间的进化关系。
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