第九章 生命科学与智能探索

第九章 生命科学与智能探索 1( 了解现代生命科学和生命的起源。 2( 知道人类的起源与人工智能研究。 基本要求:知道DNA双螺旋结构、DNA的复制、中心法则、遗传密码 了解生命起源的化学进化过程和生物进化过程 了解自组织 从生命的起源与演化中领悟人与自然的关系 了解人类智力的起源与进化 教学重点:DNA的复制、中心法则、遗传密码、 教学难点:DNA结构、蛋白质合成控制、遗传密码、生物进化 内容要点: 第一节 生命的物质基础 细胞:组成成分与结构。 蛋白质:组成成分、结构、种类、基本生理功能、胶体性质。 核酸:组成成分与结构、DNA的分子结构、RNA的种类及其功能。 第二节 生命的本质 生命现象的本质特征:核酸和蛋白质化学成分的自我更新。 生物大分子的自我复制:DNA的复制，基因与人类基因组，蛋白质合成的控制，遗传密码。 生命体的自组织。 生命起源与生物进化 第三节 化学进化:从无机小分子物质生成有机小分子物质阶段 从有机小分子物质形成有机高分子物质阶段 有机高分子物质组成多分子体系阶段 从多分子体系演变为原始生命阶段 生物进化:生物的分界，植物进行的主要阶段，动物进化的主要阶段，分子树。 生命起源研究的新成果。 第四节 人类智力的起源和进化 智力的定义，脑的进化，智力进化与人类的起源，人类对大脑和智力的不断探索。 教学过程: 生物的化学成份 一切生命活动与细胞的化学成分密切相关。 原生质是细胞内的生命物质，主要成分是蛋白质，脂类和核酸。原生质分 化为细胞膜，细胞质和细胞核等部分，细胞壁不是原生质。 构成细胞的大量元素是C、H、O、N、P、S、Ca、Mg、Cl、Fe等，这些元素有些是细胞的组成物质，有些则是维持细胞正常生命活动所必需的物质。例如:C、H、O和N都是构成生命物质的必需元素，它们均是构成蛋白质的必要成分。蛋白质则是原生质的主要构成成分，可以说没有蛋白质就没有生命，P和S也是细胞生命物质的重要组成成分。核酸和磷脂这些重要化合物均含有P，P还参与 细胞的能量代谢。 细胞的化学成分主要是构成细胞的各种化合物。这些化合物包括无机物和有机物。一般指含碳氢的化合物及其衍生物就叫有机物。各种物质在活细胞中的含量从少到多的正常排序是:核酸、无机盐、蛋白质、水 无机化合物 1(水 水在细胞中以两种形式存在，自由水和结合水。它们的区别是:结合水在细胞内与其它物质结合，含量比较稳定，不易散失;自由水以游离的形式存在于细胞质基质和液泡等部位内。 水的生理作用 结合水是细胞的组成成份，细胞内的化合物中，大部份无机物和有机物都溶于水，生物所需要的养分和代谢废物都是以水溶液的形式进出细胞，水是物质扩散的介质，所以水是细胞的良好溶剂。自由水可以自由流动，因此具有物质运输的作用。 2(无机盐 ?无机盐存在的主要方式。 ?生理作用有三个方面: 其一:是细胞的重要组成部分，举例:三磷酸腺苷，从分子简式A—P,P,P看P代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 磷酸。 其二:维持生物体的生命活动。举例:钙离子能降低血管和细胞膜的通透性及肌肉的兴奋性，当血钙降至3.5毫克,时可引起肌肉自发收缩而出现手足抽搐。 其三，维持细胞的形态和功能。举例:钾、钙离子能调节细胞内外渗透压，从而维持细胞的正常形态和功能。 有机物 1(糖类 生命活动的主要供能物质是糖类。我们每天的食物中80,(干重)以上是糖类。糖类是生物体主要的组成成分之一，它广泛存在于动植物体内。糖类的组成元素是C、H、O，其中氢与氧的比值和水一样为2?1，因此习惯上将糖类叫碳水化合物。 糖类分为:单糖、二糖和多糖，单糖是指不能水解的最简单的糖类，按分子中碳原子数分为:三碳糖、四碳糖、五碳糖、六碳糖、七碳糖等。所有的生物细胞和细胞核都含有核糖，动物血液中含有葡萄糖。二糖水解时产生两个单糖分子，如植物甘蔗及甜菜中的蔗糖、动物乳汁中的乳糖是二糖。多糖是指由多个单糖缩聚而成的糖类，如构成细胞的纤维素，块根、块茎及种子中的淀粉是多糖。 各种糖分子中含有自由醛基或酮基，具还原性，故称还原性糖。它能还原金2++属离子，如:cu、Ag等，常可用班氏试剂和多伦试剂作鉴定。班氏试剂A液中的硫酸铜溶液与B液中的无水硫酸钠和柠檬酸钠相遇，能产生可溶性的又略能离2+2+++—解出cu的柠檬酸铜。还原性糖在碱性溶液中能将cu还原成cu，cu再与OH结合成黄色的CuOH。加热后，CuOH即变成红黄色的氧化亚铜(CuO)沉淀，反2应式如下:2CuOH——CuO+HO 22 糖类是进行呼吸作用消耗的主要物质，是生物进行生命活动的主要能源。因为多糖可以经过酶的作用，水解成葡萄糖，单糖氧化释放出能量供各种生命活动之需。此外:糖类与蛋白质结合成糖蛋白质及粘蛋白，如抗体、激素等，与脂类形成糖脂是构成神经组织的重要成份。 食物中的糖类主要是淀粉。经消化最终分解成葡萄糖。被小肠上皮细胞吸收进入血液的葡萄糖叫血糖。血糖随血液循环进入身体各细胞氧化分解，生成二氧化碳、水及生命活动所需的能量。葡萄糖氧化分解主要在线粒体细胞器中进行。二氧化碳通过呼气，多余的水通过排尿、排汗、呼气排出体外。 如果能量够用，还有血糖多余，血糖在肝脏、肌肉处合成肝糖元和肌糖元。如果食量过大，葡萄糖摄入过多，超过了全身的需要量，也超过了肝脏、肌肉的储存能力，则肝脏将过量的葡萄糖转变为脂肪，随血液循环到脂肪组织储存或转变为某些氨基酸。 饥饿时，血糖含量会下降。此时便出现头昏、心慌、面色苍白，甚至昏迷，这就是低血糖症状，这时轻者喝浓糖水，重者静脉注射葡萄糖液。人和动物体内肝糖元可分解成葡萄糖并进入血液，使血糖含量恢复正常。肌糖元不能直接分解成葡萄糖，必须先分解产生乳酸，经血液循环到肝脏，再在肝脏内转变为肝糖元或分解成葡萄糖。 2(脂类 生命活动的主要储能的主要物质是脂肪。 脂类是原生质的重要组成成分，广泛分布于动植物体内，其生理作用与脂类的种类相关，就其主要功能有储能、维持体温生理作用 类脂包括磷脂和糖脂，这两种物质都参与细胞膜的结构;固醇类是某些激素如性激素、肾上腺皮质激素、维生素D、胆固醇、胆汁盐等物质，可以想见它对生物体维持正常新陈代谢的积极作用。 磷脂的分子结构和脂肪相似，不同的是在甘油分子上只连有两个脂肪酸，第三个羟基与磷酸结合成脂，并有一个含氮碱基与磷酸相结合。磷脂的这一结构使它成为一种双性分子。它的磷酸和含氮碱基一段是极性的，易与水相吸，构成磷脂分子的亲水性头部，而它的脂肪酸一端是非极性的，不与水相吸，构成磷脂分子的疏水性尾部。当磷脂分子被水分子包围时，便会自动排成双分子层。磷脂是构成细胞膜结构的重要成分。细胞各种膜结构的形成和特性，都与磷脂分子的双性性质密切相关。 固醇具有以下重要生理功能: (1)是构成细胞组织的结构大分子，如有些固醇类化合物是构成神经鞘的主要成分。由于它有良好的绝缘性，对神经冲动的传递十分重要。 (2)某些固醇类化合物可转变为维生素D。 (3)固醇类化合物也是某些激素的前体。例如:调节水分和盐类代谢的肾上腺皮质激素、促进性器官和第二性征发育的性激素都是固醇类化合物的衍生物。 食物中的脂类主要是脂肪。还有少量的磷脂、胆固醇。 脂肪在消化道消化成甘油、脂肪酸。主要由毛细淋巴管吸收，经淋巴循环进入血液循环，在肝脏处再度合成脂肪。随血液循环到全身各组织器官，储存在皮下结缔组织肠系膜等处(如肥肉，板油等)在肝脏和肌肉等处再度分解为甘油、脂肪酸，然后彻底分解成二氧化碳和水、能量或转变为糖元(如冬眠的动物、鸟类迁徙时)。 1克脂肪氧化分解所释放的能量约38(9Kj，1克糖元1氧化分解时所释放的能量约17(15Kj。但糖是主要的供能物质，当糖供能不足时靠脂肪分解供能。 食脂类物质过多，加上脂类代谢出现障碍，使血脂升高，会导致血管硬化、高血压、胆结石等。正常情况下，多余脂肪在肝脏内合成脂蛋白，将脂肪运出肝细胞，如果肝脏功能下降，或是脂蛋白合成原料——磷脂供应不足，造成脂肪在肝脏内堆积，形成脂肪肝，长期发展下去便导致肝硬化。 3(蛋白质 (1)蛋白质的元素组成 蛋白质占原生质有机物成分的80,，占细胞干重50,，每种蛋白质都含有C、H、O、N，一般说，每100克蛋白质平均含氮16克，所以蛋白质又称含氮化合物，此外，有些蛋白质还含有S、P、Fe、Mn、I等，如血红蛋白含Fe，乳汁中酪蛋白含磷，叶绿蛋白含镁;大多蛋白质含有半胱氨酸和甲硫氨酸两种氨基酸，所以蛋白质分子中含硫。蛋白质水解产生一系列有机物，最后分解成各种氨基酸，因此，氨基酸是构成蛋白质的基本单位。 (2)蛋白质的基本单位—氨基酸 蛋白质是高分子化合物，结构很复杂，通常由几千到几十万个原子组成，质量很大，也可以是几万到几百万。从以下物质比较可看出相对分子质量很大。 无论蛋白质分子结构多复杂，但各种蛋白质的基本单位却是氨基酸，构成生物蛋白质的20种氨基酸分子结构具有一个通式。 氨基酸是一种有机酸，尽管组成蛋白质的氨基酸分子有许多种，但结构上却具有共同特点:那就是每种氨基酸分子至少都含有一个氨基和一个羧基，注意这句话中的“至少”二字的含义。并且都有一个氨基和一个羧基连接在同一个碳原子上，注意这句话强调“连接在同一个碳原子上。”在氨基酸的通式中有一个英文字母“R”，连接在碳原子上，它表示氨基酸的侧链基团。不同的氨基酸的R基因是不同的，也就是说R基的不同决定了氨基酸的种类不同。 20种氨基酸中，有: 8种非极性氨基酸——丙、缬、亮、异亮、脯、苯丙、色、蛋。 7种极性氨基酸——甘、丝、苏、酪、天冬酰胺、谷氨酰胺、半胱。 3种碱性氨基酸——赖、精、组。 2种酸性氨基酸——天冬、谷。 (3)蛋白质的结构 蛋白质的一级结构 蛋白质的结构是非常复杂的，它是由许多的氨基酸分子相互连接而成的。氨基酸的连接方式是:一个氨基酸的羧基(-COOH)与另一个氨基酸的氨基(-NH2)连接，失去一分子水，这种结合方式叫缩合。 连接两个氨基酸的那个化学键叫肽键(—NH—CO—)。 肽键是氨基酸分子间的化学键，根据价键的原理，原子周围达到饱和分子结构才稳定，故肽键表示(—CO—NH—)或 不可能是(NH—CO)或(NHCO)。 从以上两两氨基酸通过脱水缩合由一种物质生成另一种物质—肽。从图上看，两分子氨基酸脱水缩合称二肽，由三个及以上氨基酸分子脱水缩合称多肽。多肽呈链状结构称为肽链]这说明氨基酸是多肽的基本组成单位，肽键是多肽的连接结构，肽链是多肽的空间结构，这反映出氨基酸，肽键、肽、肽链的关系。 蛋白质分子可以有一条或多条多肽链。 氨基酸数减去一就是肽键数或水分子数(n-1)。如:牛胰岛素有A、B两条链，A链含有21个氨基酸，B链含有30个氨基酸，这两条链共有(n-2)=49个肽键。 寡聚蛋白:一条以上的多肽链。(每条链称亚基) 简单蛋白:纯粹由氨基酸组成的蛋白。 结合蛋白:除了氨基酸外还含有其它组分(辅基)的蛋白。如糖蛋白中的糖类，脂蛋白中的脂类，核蛋白中的核酸都是它们的辅基。 蛋白质的高级结构 蛋白质分子的主链与侧链原子的相互作用，形成特定的空间构象，称蛋白质的高级结构。可分二、三、四„级。高一级是低一级的进一步构形。 二级结构主要形式:α- 螺链、β- 折叠片层、β- 转角和无规则卷曲。 三级结构形状:?球状，如清蛋白、球蛋白、肌红蛋白等，?纤维状，如纤维蛋白，毛发中角蛋白，皮肤、肌腱、韧带中胶原蛋白等。 四级结构的有血红蛋白等。 蛋白质的结构具有多样性，表现在四个方面: (1)组成每种蛋白质分子的氨基酸种类不同。 (2)组成蛋白质的氨基酸数目成百上千，(少的几百，多的上万，如人的血红蛋白由574个氨基酸组成)。 (3)组成每种蛋白质分子的氨基酸排列顺序变化多端。 (4)蛋白质空间结构千差万别。 蛋白质的空间构型是表现其生物活性的物质基础，变性后的蛋白质尽管它的化学组成没有改变，但空间构型已遭破坏，内部某些特征已发生改变，因此，其原有生物活性也发生变化。 变性后的蛋白质容易被蛋白酶水解，所以蛋白质在变性后较易消化。在临床工作中用酒精、加热、紫外线等方法进行消毒杀菌就是利用这些手段使菌体和病毒的蛋白质变性而失去致病性和繁殖能力。 (4)蛋白质的生理功能 蛋白质分子结构的多样性，决定了蛋白质分子具有多种重要功能，但主要两类: 结构蛋白——构成生物体细胞的重要物质。举例:肌球蛋白，肌动蛋白是肌纤维细胞的组成物质，具有运动的功能，红细胞所含的血红蛋白有运输氧和二氧化碳的作用。 功能蛋白——调节细胞和生物体的新陈代谢。举例:各种酶的催化作用，如某些激素，生长激素，胰岛素的调节作用。 对蛋白质生理作用的认识还不仅体现在以上两个方面，它还具有其它更多的生物学特性。如具免疫作用，引起免疫作用的抗原和免疫过程产生的抗体，都是蛋白质。从上可知，蛋白质是一切生命活动的体现者。 酶作为生物催化剂，除了具有上述一般催化剂的性质外，还具有以下重要特性: a(具有高效性:催化反应的速度比一般的无机催化剂高106-107倍，有的酶催化反应速度极快，如碳酸酐酶催化二氧化碳与水合成碳酸的反应是已知最快的酶催化反应之一。每一个酶分子在1秒钟内可以使105个二氧化碳分子发生水合反应。 b(具有专一性:一种酶只能作用于某一类或某一种特定的物质使其发生反应。如麦芽糖酶只能催化麦芽糖分解成葡萄糖，胃蛋白酶只能催化食物中蛋白质的分解。 c(酶的种类具有多样性:酶的种类繁多，目前已知的约有2千多种。正是由于酶对反应的专一性，成千上万的化学反应就需要许多的酶分别在各自代谢途径的特定位置上发挥作用，保证新陈代谢有条不紊地进行。 4(ATP与新陈代谢 新陈代谢顺利进行除了需要酶的催化外，还需要能量源源不断的供应。糖类是生命活动的主要能源物质，脂肪是生物体内储存能量的物质等。而ATP也是能源物质。 (1)ATP的分子简式 全称叫三磷酸腺苷，由于其分子较大，为便于书写，人们根据其结构进行简写，用A代表腺苷，T代表三个，P代表磷酸基，简称ATP。 ATP中大量的化学能就贮存在两个高能磷酸键中。 (2)ATP与ADP的相互转变: 复述ATP分解为ADP的过程，先用分子结构简式形象表示为: 其中释放出的能量直接经各种生命活动供能。反过来，在酶的作用下，ADP也可以吸收能量后与一个磷酸结合，合成ATP。其中吸收的能量来自呼吸作用即糖类、脂肪等有机物的氧化分解，对绿色植物来说，还来自光合作用即光能的吸收和转换。 二者间的相互转变可表示为: ATP与其它能源物质间的能量传递关系可用下图表示: ATP与ADP之间的相互转变是有别于化学的可逆反应。这是因为，在化学上讲到的可逆反应的特点是:正逆反应都能在同一条件同一场所下同时进行，如NO2与N2O4在烧瓶内的可逆反应。而ATP与ADP的相互转变，有以下几点不同: (1)正逆反应需要的酶不同:合成反应需要的是ATP合成酶，而分解反应需要的是ATP水解酶。 (2)正逆反应的场所不同:ATP的合成场所比较固定，如细胞质基质、线粒体、叶绿体等，而分解场所却是不稳定的，因为ATP在细胞内就象货币一样是流动的，分解的场所较多。 (3)从能量代谢的角度上，ATP分解释放出的能量绝不是合成ATP时的能量，这两种能量无论从用途还是从来源上看都有很大的差别 5(核酸 核酸是细胞原生质中另一类信息大分子，其分子量很大，约有几十万至几百万，生物体内的每个细胞中都有，核酸是1871年由米史沏在脓细胞中发现和分 离出来的，它存在于细胞核中，有酸性，因此叫核酸。现在已知道除了细胞核内存在以外，也广泛存在于细胞质中。 核酸的组成元素——C、H、O、N、P等五种 核酸的功能——各种生物体的细胞内部都有核酸的存在，核酸的分子结构的不同决定了生物性状表达的不同。现代科技证明，一定的核酸分子结构，决定了一定结构的蛋白质分子。核酸的结构无疑蕴藏着大量的遗传信息，通过指导合成蛋白质来表达生物的遗传性状。由此看，核酸分子的稳定或改变。决定了生物的遗传和变异现象。 构成核酸的基本单位是核苷酸。一个核苷 酸由三部分组成:由一分子含氮碱基(嘌呤和 嘧啶)，一分子磷酸，一分子五碳糖组成。核 酸有两类: DNA即脱氧核糖核酸——含有脱氧核糖的 核苷酸，聚合而成的高分子物质。主要存在于细胞核内。线粒体和叶绿体内也有些。 RNA即核糖核酸——含有核糖的核苷酸，聚合而成的高分子物质。分三种:信使RNA(mRNA)转移RNA(tRNA)核糖体RNA(rRNA)。除此外，细胞内还有rRNA、HRNA等。 戊糖的第二号碳原子脱去了一个氧 原子，故为脱氧核糖;含N碱基与脱氧 核糖的第一号碳原子间脱去一个水分子 连在一起构成一分子核苷;磷酸分子与 脱氧核糖的第五号碳原子间脱去一个水 分子连在一起构成一分子脱氧核糖核苷 酸;构成脱氧核苷酸的含N碱基共有4种: 腺嘌呤A——胸腺嘧啶T 鸟嘌呤G——胞嘧啶C 由此四种含N碱 基分别构成了四种脱 氧核苷酸:腺嘌呤(A) 脱氧核苷酸;鸟嘌呤 (G)脱氧核苷酸;胞 嘧啶(C)脱氧核苷酸; 胸腺嘧啶(T)脱氧核 苷酸。 RNA中的碱基是腺嘌呤、鸟嘌呤、尿嘧啶(U)、胞嘧啶 除五碳糖不同外，另外在含氮碱基位置上，还存在个别种类的差别。 1、 1、 核酸的一级结构——指核酸中核苷酸的排列顺序。 脱氧核苷酸间通过脱水缩合连在一起成为多核苷酸链。 上一分子脱氧核苷酸的第3号碳原子脱去(—OH)，下一分子脱氧核苷酸的磷酸分子脱去(—H)，这样脱去一分子水使两个脱氧核苷酸连在一起。多个脱氧核苷酸通过脱水缩合便形成了脱氧核苷酸链(多核苷酸链):外侧链“磷酸—脱氧核糖”交替排列，含N碱基连在链的脱氧核糖上。 DNA分子中的脱氧核苷酸的排列顺序千变万化。从四种碱基中任选3n三种在一条链上作全排列的形式就有4,64种。任选,种则就有4种。 9人的生殖细胞中DNA长度约1.1米约含3×10碱基对。由此，我们完全可以通过对DNA中脱氧核苷酸序列的测定建立人的DNA档案，鉴别人的血缘关系，为刑事案的侦破提供可靠依据。 2、 2、 核酸的二级结构 ?DNA分子立体结构是规则的双螺旋结构。是由两条平行且反向的多核苷酸链构成。在双核苷酸链的外侧骨架一条为:磷—脱—磷—脱;另一条为:脱—磷—脱—磷;两条链上的脱氧核苷酸数目相等，长度一样，排列反向。 ?每螺旋一周一条链由10个脱氧核苷酸构成，也就是有10对碱基可螺旋为一周，螺距为3.4nm,螺旋直径为2.0nm。 ?内部的碱基间严格遵循碱基互补配对原则:一条链上有碱基A，另一条链必有碱基T与其配对，一条链上有碱基C，另一条链上必有碱基G与其配对;碱基间通过氢键连在一起:A与T有两个氢键，G与C有三个氢键。由此，在双链DNA分子中:嘧啶碱基的总数与嘌呤碱基的总数相等。A，G,C，T。这可作为判断单、双链DNA的唯一依据。但不同生物的DNA分子中AT对和GC对的比例不同: (A，T),(G，C),a(不同生物a值不同)。 1953年，沃森(Watson)和克里克(Crick)发现的DNA是右手双螺旋,又称“B-DNA”1979年美国里奇等人发现一人工合成的DNA为左手双螺旋，又称“Z-DNA”。它们在一定条件下，可以转化。 RNA是一条链，然而RNA上彼此不连续的区域如果存在碱基互补顺序则可以形成局部双螺旋。与DNA区别是配对的碱基为A=U、G?C.不能配对的碱基区形成突出环。绝大多数tRNA是“三叶草”型，配对的碱基区形成4个双螺旋区，称为臂，不能配对的碱基形成三个环。其中最重要的是氨基酸臂和反密码环。 3、 3、 核酸的高级结构 在真核生物中，DNA与蛋白质结合，以染色体的形式存在于细胞核中，其基本结构单位是核小体。 生命起源和进化过程 前地球上丰富多彩的生物界是怎样形成的,地球上最初的原始生命又是怎样产生的,根据众多学者长期的深入的综合的研究认为，生命的起源和发展需要经过两个过程。第一个过程是生命起源的化学进化过程(发生在地球形成后的十多亿年之间)，即由非生命物质经一系列复杂的变化，逐步变成原始生命的过程。第二个过程是生物进化过程(发生在三十亿年以前原始生命产生到现在)，即由原始生命继续演化，从简单到复杂，从低等到高等，从水生到陆生，经过漫长的过程直到发展为现今丰富多彩的生物界，并且继续发展变化的过程。 生命起源化学进化过程 根据科学的推算，地球从诞生到现在，大约有46亿年的历史。早期的地球是一个很炽热的球体，地球上的一切元素都呈气体状态。那时地球上是绝对不会有生命存在的。地球上最初的原始生命是在原始地球条件下，由非生命物质，在极其漫长的时间里，经过四个阶段的化学进化过程，一步一步演变而成的。 1(从无机小分子物质生成有机小分子物质 原料:原始大气中的各种成分。 能量:大自然不断产生的含有极高能量的宇宙射线、强烈的紫外线和频繁的闪电等。 1953年，美国芝加哥大学的学者米勒及其助手在实验室内首次模拟原始地球在雷呜闪电下将原始大气合成小分子有机物的过程。米勒等人设计的火花放电装置如课本的图中所示。他首先把200毫升水加入到500毫升的烧瓶中，抽出空气，然后模拟原始大气成分通入甲烷、氨、氢等混合气体。将入口玻璃管熔化封 闭，然后把烧瓶内的水煮沸，使水蒸气驱动混合气体在玻璃管内流动，进入容积为5升的烧瓶中，并在其中连续进行火花放电7天，模拟原始地球条件下的闪电现象，再经冷凝器冷却后，产生的物质沉积在U型管中，结果得到20种小分子有机化合物，其中有11种氨基酸。这11种氨基酸中，有4种氨基酸——甘氨酸、丙氨酸、天门冬氨酸和谷氨酸，是天然蛋白质中所含有的。 继米勒的工作后，不少学者利用多种能源(如火花放电、紫外线、冲击波、丙种射线、电子束或加热)模拟原始地球大气成分，均先后合成了各种氨基酸，以及组成生物高分子的其他重要原料，如:嘌呤、嘧啶、核糖、脱氧核糖、核苷、核苷酸、脂肪酸等。由此可以看出:在原始地球条件下，原始大气成分在一定能量的作用下，完全可以完成从无机物向简单有机物的转化。(需要说明的是:新近的发现已令有的人对此结论产生了一些怀疑。有的科学家认为，早期地球上的任何CH、NH和HS都会迅速被紫外线辐射所分解，释放出的H多数也会逃逸到4322 等气体，太空中，根据目前的理论，早期大气的主要成分是水蒸汽、CO、CO、N22可能还有一些游离氢。) 由于火山爆发的同时，使地壳不断地隆起或下陷，形成了山峰或低地，后来，当地表温度下降后，散布在原始大气里的、达到饱和状态的水蒸气遇冷形成雨水而下降，流到低地就形成原始海洋。氨基酸等小分子有机物经雨水作用最后汇集在原始海洋中，日久天长，不断积累，使原始海洋含有了丰富的氨基酸、核苷酸、单糖等有机物，为生命的诞生准备了必要的物质条件。 2(化学进化过程的第二阶段:从有机小分子物质形成有机高分子物质 原始海洋中的氨基酸、核苷酸、单糖、嘌呤、嘧啶等有机小分子物质经过极其漫长的积累和相互作用，在适当条件下，一些氨基酸通过缩合作用形成原始的蛋白质分子，核苷酸则通过聚合作用形成原始的核酸分子。生命活动的主要体现者——原始的蛋白质和核酸的出现意味着生命从此有了重要的物质基础。 美国学者福克斯认为，原始海洋中的氨基酸可能被冲洗到火山附近等温度高于水沸点的热地区，它们在那里蒸发、干燥和聚合，产生的类蛋白又被冲回海洋，进一步发生其他反应。他在实验室内将多种纯氨基酸混合，在无水条件下加热至160—200?，几小时后就得到具有某些天然蛋白质性质的类蛋白。(原始的蛋白质和核酸与现代生物中的蛋白质和核酸并不一样，它们又经过若干亿年的不断演变，以至结构越来越完善，功能越来越复杂，才形成像现在的蛋白质和核酸的高分子化合物。)以后又有人模拟原始地球条件，用核苷酸等小分子有机物合成类似天然核酸的物质。 3(化学进化过程的第三个阶段:从有机高分子物质组成多分子体系 以原始蛋白质和核酸为主要成分的高分子有机物，在原始海洋中经过漫长的积累、浓缩、凝集而形成“小滴”，这种“小滴”不溶于水，被称为团聚体或微粒体。它们漂浮在原始海洋中，与海水之间自然形成了一层最原始的界膜，与周围的原始海洋环境分隔开，从而构成具有一定形状的、独立的体系。这种独立的多分子体系能够从周围海洋中吸收物质来扩充和建造自己，同时又能把小滴里面的“废物”排出去，这样就具有了原始的物质交换作用而成为原始生命的萌芽，这是生命起源化学进化过程中的一个很重要的阶段。但这时还不具备生命，因为它还没有真正的新陈代谢和繁殖等生命的基本特征。 团聚体假说 这一假说是由原苏联学者奥巴林提出的。奥巴林等人把均匀、透明的白明胶(一种动物蛋白质)的水溶液与阿拉伯胶(一种多糖)的水溶液混合在一起。用显微镜观察，可以看到:原来均匀、透明的胶体溶液变得浑浊了， 继而出现了具有明显界膜的小滴，奥巴林把这种小滴称为团聚体。由于发现这种团聚体可以表现出合成、分解、生长等生命现象，奥巴林等人认为团聚体可能是原始生命形成过程的一个重要阶段。 微球体假说 这一假说是由美国学者富克斯提出的。福克斯等人把酸性的类蛋白物质用1,的NaCl 溶液稀释经加热、溶解、冷却以后，放在显微镜下观察，发现了溶液中有无数的球状小体。福克斯称它为类蛋白微球体。 微球体能保持结构的稳定性，具有双层的界膜，通过这个界膜，微球体能够与周围环境进行有选择性的物质交换。它们在高渗透压的溶液中收缩，在低渗透压的溶液中膨胀。福克斯认为，微球体就是最初的多分子体系。 4(化学进化过程的第四个阶段:从多分子体系演变为原始生命 具有多分子体系特点的小滴漂浮在原始海洋中，经历了更加漫长的时间，不 成分的相互作用，其中一些多分子断演变，特别是由于蛋白质和核酸这两大主要 体系的结构和功能不断地发展，终于形成了能把同化作用和异化作用统一于一体的、具有原始的新陈代谢作用并能进行繁殖的原始生命。 这是生命起源过程中最复杂、最有决定意义的阶段，它直接涉及到原始生命的发生，是一个飞跃，一个质变阶段。所以，这一阶段的演变过程是生命起源的关键，但目前仅仅是推测，如果能得到证实并能进行模拟的话，那么就意味着能人工合成生命，这将是生命科学上一个重大的突破。 1965年，我国科学工作者首次人工合成了具有生物活性的结晶牛胰岛素，这是一种比较简单的蛋白质分子，分子量约为6000，由51个氨基酸、两条肽链(分别为21肽和30肽)组成，这在当时远远超过国际水平。1981年，我国科学工作者又人工合成了酵母丙氨酸转运核糖核酸，这是一种RNA，是酵母菌在合成蛋白质时，专门用来运送丙氨酸到核糖体上的t-RNA。它的分子量为26000，比牛胰岛素的分子量约大4倍，结构也复杂得多。结晶牛胰岛素和酵母丙氨酸转运核糖核酸的人工合成，对生命起源化学进化过程第二阶段的研究有着重要的意义，它反映了我国在探索生命起源问题上所取得的重大成就。 原始海洋是地球上最初产生的有机物的汇总场所，有机高分子的形成，多分子体系的组成，以及原始生命的诞生都是在原始海洋中进行的，而海水能阻止强烈的紫外线对原始生命的破坏杀伤作用。所以说，原始海洋是生命的摇篮。 (1)原始生命虽然具有原始的新陈代谢作用，但其结构十分简单，不可能具有进行光合作用的结构和条件，而只能以原始海洋中已经存在的各种有机物作为营养物质，所以其同化方式应该是异养型。原始大气成分中没有氧气，因此其异化方式只可能是厌氧型。所以，原始生命的代谢类型最大可能为异养厌氧型。 (2)生命在地球上的出现是原始地球条件和各种物质相互作用的结果，在现今的地球条件下，作为生命起源的基本条件已不存在了。随着地球上最早的能进行光合作用的原始藻类(如蓝藻)和以后绿色植物的出现，现代大气已成为含氧丰富的氧化性大气，而不再是生命起源所必需的还原性大气。现今地球的大气层中有臭氧层阻挡了大部分的紫外线，没有了强烈的太阳辐射，也没有频繁的闪电，地球的温度也降低了，把无机物合成为有机物必需的自然界的高能作用已不复存在。另外，也不再有含丰富有机物、含盐量极少的原始海洋那样的环境。现在的地球上由于存在大量的游离氧(可以氧化有机物)和微生物(可以分解有机物)各种有机物不可能像在原始海洋中那样长期保存和积累。因此，在现在的地球环境条件下，是不可能再产生新的原始生命的。正因为地球上不会有新的生命 起源，现在地球上生物若灭绝一种，就永远地消失，一去不复返。因此保护环境，保护生物，尤其保护珍稀的野生动植物资源是当务之急。 生物的进化 化石是生 命进化过程的 历史见证，目 前最早的化石 记录是30多 亿年前地层中 发现的原核生 物化石。而在 这以前最初的 生命是非细胞 形态的生命， 当时生命所处 的时代，是没 有游离氧存在 的，代谢方式 只能是以周围 环境的有机物 为养料，依靠 无氧呼吸的方 式获取能量， 为异养、厌氧型生物。以后，从非细胞形态的原始生命发展到原始细胞形态的生命，是生命发展历程中的新突破。标志着生命的进化已经从原始生命阶段发展到了原始的原核生物阶段。当地球早期积累的有机物随异养生物的消耗而减少时，突变和自然选择的结果，逐渐演化出自养型的生物——蓝藻类的原核生物。蓝藻通过光合作用合成有机物，是一个划时代的飞跃，标志着生物减少了对外界环境的依赖性，增强了自身的独立性。光合作用消耗大量二氧化碳，同时释放分子氧。地球大约在20亿年前出现氧气，且氧气含量达到了现在大气中氧含量的1,。氧含量的增加，为需氧型生物的产生创造了条件。这时的生物由异养生活过渡到自养生活，并从异养生物中分化出了自养生物，由无氧生活过渡到有氧生活，从厌氧生物中分化 出好氧生物，使得新陈代谢的水平加强。 在我国河北距今13亿年前的地层中发现了保存相当好的红藻化石。 在澳大利亚10亿年前形成的地层中发现了单细胞绿藻化石，从这些化石上已经极其清楚地显示出细胞具有细胞核，已是真核细胞。虽然对真核细胞的起源，尚未有统一的学说，但是真核细胞的出现在生物进化历史上具有重要的意义。 其意义首先表现在:真核细胞在结构和机能上的复杂化，是生物类型多样化的基础。其次，由于有性生殖过程中的减数分裂是一种特殊形式的有丝分裂，所以说真核细胞的有丝分裂为有性生殖的产生奠定了基础。 从化石资料的事实表明，有性生殖的生物出现以后，生物进化的步伐确实大大加快了。而现存的生物绝大多数都是进行有性生殖的。 生物的进化经历了漫长的岁月，随着生存环境的演变，低等生物逐渐向高等生物进化。从下表中我们可以较为清晰地看出生物进化的方向是:低等?高等; 陆生。 水生? 时间 环境 环境状况 生物种类 种类繁多的藻类植物和低等无脊椎动海洋 6亿年物 前 陆地 几乎没有生命，一片寂静 海洋 缩小 鱼类兴旺 4亿年 前 陆地 扩大 出现原始蕨类植物，原始两栖类 蕨类植物繁盛，其中一些种类进化成3亿年气候温暖潮陆地 裸子植物;两栖类兴旺，其中一些种前 湿 类进化成爬行动物 高大山脉隆原始哺乳动物。鸟类陆续出现，并极248万陆地 起、气候寒大发展，厥类植物大量死亡，被子植年 冷、干燥 物出现并空前发展 生物的种类繁多;到目前为止，已经发现的生物大约有二百万种，早在1735 年，瑞典博物学家林奈将生物界分为植物界和动物界。 植物 动物 运动 不能运动 能够运动 营养 光合作用 自养型 摄取有机物 异养型 按照林奈的两界说，像裸藻这样既可以借助于鞭毛的摆动运动，又可以通过叶绿体进行光合作用制造养料的生物，在分类系统中属于哪一界呢,显然，两界说不能将生物进行合理的分类。随着人们对不同类群生物的认识不断加深，目前，被广泛认同的是1969年美国学者魏泰克提出的五界说，五界说是依据真菌和植物在营养方式和结构上的差异，在生物分类的基础上创立的。 五界生物的主要特征 细胞类界 营养方式 细胞数目 运动特点 举例 型 多数不能运动，原核生原核细自养或异单细胞或少数用鞭毛运细菌蓝藻 物界 胞 养 群体 动 原生生真核细自养或异单细胞或用鞭毛、纤毛或草履虫、衣藻、 物界 胞 养 群体 伪足运动 变形虫 真核细异养，吸收单细胞或绝大多数不能真菌界 酵母菌、蘑菇 胞 养料 多细胞 运动 真核细自养，光合葫芦藓、松、植物界 多细胞 不能自由运动 胞 作用 杨、桃 自由运动，但海 真核细异养，摄取葵、珊瑚等少数蚯蚓、蝗虫、动物界 多细胞 胞 食物 种类营固着生鲫鱼、马 活 从五界生物的主要特征我们可以看出，生物主要经历了三大阶段:原核细胞阶段，真核单细胞阶段和真核多细胞阶段。而在真核多细胞中，有自养生活的植物，有异养生活的动物，还有分解者真菌。因而五界说较为客观实际，这是五界说的优点所在，成为被多数生物学家认同的学说。 但是五界说依然存在着不足，比如未能很好地安排非细胞生物——病毒，因此也有六界说之说。 生物进化论 我们已经知道地球上现存的有记载的生物种类大约200多万种，还有许许多多种生物没有被我们发现，没有发现的生物数目可能要比已经发现的多10倍，更何况已经绝灭的生物比现存的还要多得多。据估计，曾在地球上生活过的生物种数可能多达5亿,10亿。这么多的生物从无到有，从少到多，从简单到复杂，从低等到高等，一批又一批地“踏上”地球，又“远离”地球走向灭亡，进行着自然界的“新陈代谢”，这就是生物的进化。 19世纪，达尔文提出的以自然选择学说为核心的生物进化论，随着遗传学和生态学等现代生物科学的发展和深入到生物进化理论的研究，使达尔文进化理论不断完善和发展，形成了以自然选择学说为基础的现代生物进化理论。 达尔文自然选择学说的主要内容:过度繁殖，生存斗争，遗传变异、适者生存。 过度繁殖:任何一种生物的繁殖能力都很强，在不太长的时间内能产生大量的后代表现为过度繁殖。 自然选择:生物个体具有既能保持亲本的性状又会出现不同的变异性状。可遗传的变异是生物进化的基础。有利变异个体容易在生存斗争中获胜并将这些变异遗传下去，不利变异个体则容易被淘汰。 在长期的自然选择过程中，微小的有利变异得到积累变为显著变异，从而产生了适应特定环境的生物新类型，这就是生物进化的原因。 在21世纪的今天，随着现代生物科学的发展，关于生物进化过程的研究，虽然仍以达尔文进化理论为框架，但达尔文原来的思想却被大大改进和扩展了。关于自然选择等问题的研究，已经从生物个体为单位发展到了以种群为基本单位。形成了以自然选择学说为基础的现代进化理论。 种群是指生活在同一地点的同种生物个体的总和。种群个体间具有年龄和性别的差异，并不是机械的结合在一起。个体之间存在关系是:彼此可以交配实现基因交流，并通过繁殖将各自的基因传递给后代。因此说种群是生物繁殖的基本单位。 进化所需要的变异的来源有突变和基因重组两方面:由减数分裂和有性生殖引起的基因重组，通过产生不同基因的组合，都提高了群体的可遗传变异。例如，人有23对染色体，即使每对染色体只含有一对杂合的等位基因，通过自由组合7就会产生出8万多种不同配子，这样在一个新生儿中就可能有6，l0个以上的基因重组。考虑到染色体上有许许多多对杂合基因，因此实际上基因重组数可能是一个天文数字。由此可见，一个个体所含的基因仅仅是种群中基因的小小组成部分。 一个种群所含有的全部基因，叫做这个种群的基因库。我们知道多指为显性基因控制的遗传病，而绝大多数人表现为正常。白化病是隐性基因控制的遗传病，但绝大多数人表现正常。 以上事实说明了不同的基因在种群的基因库中所占的比例是不同的。某种基因在某个种群中出现的比例叫做基因频率。可通过抽样调查的方法获得知道某种基因的基因频率。 种群中某基因的频率能否发生变化,英国曼彻斯特地区桦尺蠖从19世纪中期到20世纪中期，浅色型桦尺蠖和黑色型桦尺蠖所占比例发生剧烈变化的过程。19世纪中期长满地衣的浅色树干及树干上栖息着浅色与黑色9:1的桦尺蠖。1850年以前该地区的桦尺蠖以浅色为主，因为浅色与环境色彩相似，是桦尺蠖的保护色。黑色易被天敌捕食，而受到控制。调查发现浅色基因频率为95,，黑色基因频率为5,，这说明黑色基因是突变产生的。即随着英国工业的发展，工厂排出的煤烟使地衣不能生存，结果树皮裸露并被熏成黑色的树干及栖息着浅色与黑色1:9的两色桦尺蠖。由此可见，种群中的基因频率是可以改变的，导致基因频率改变的因素是:基因突变、基因重组、自然选择。 总之，种群中的个体一代一代死亡，但基因库却在代代相传的过程中保持和发展。因此说，生物进化的过程实质上就是种群基因频率发生变化的过程。所以说种群是进化的单位。 基因突变是可遗传变异的根本来源。这是因为基因突变可产生新基因(等位基因)，是基因频率改变的基础。 基因突变的特点有: (1)普遍存在的; (2)随机发生的; (3)突变频率是很低的; (4)多数对生物体是有害的; (5)不定向的。 自然界中生物的自然突变频率很低，而且一般对生物体是有害的。 为什么还能够改变种群中的基因频率呢,这是因为种群都由许多个体组成，每个个体都有成千上万个基因，虽然每个基因的突变率很低，但每个种群的每一代都会产生大量的突变基因。例如，果蝇约有104万对基因，假定每个基因的突,5变率都是10，若有一个中等数量的果蝇种群(约有108个个体)，每一代出现基因突变数是107个。说明种群中每一代产生的基因突变的数量是很大的，并通过繁殖得到积累是基因频率改变的基础。突变有利有害不是绝对的，是相对的。这取决于生物的生存环境。 基因重组与基因频率的改变有什么关系,由于基因突变是不定向的，突变的结果可产生相应的等位基因。如前所述，假如人的23对同源染色体上都有一对7等位基因，通过减数分裂和受精作用，在后代中则可产生6，10个以上基因重组 类型，使种群中出现大量的可遗传变异，从而使突变基因频率扩增。种群产生的变异是不定向的，经过长期的自然选择和种群的繁殖使有利变异基因不断积累，不利变异基因逐代淘汰，使种群的基因频率发生了定向改变，导致生物朝一定方向缓慢进化。因此，定向的自然选择决定了生物进化的方向。 物种是指分布在一定的自然区域内，具有一定的形态结构和生理功能，而且在自然状态下能够相互交配和繁殖，并能够产生可育后代的一群生物个体。即物种是代代相传保持一个共同基因库的群体。骡子是马和驴的杂交后代，不能繁殖，原因是马和驴是两个物种。这一事实说明不同物种之间不能交配，或即使交配成功，也不能产生可育的后代，该现象称之为生殖隔离。区分物种的主要依据是有无生殖隔离。 生殖隔离(物种)形成的主要原因是什么,一个种群由于地理环境原因被分割成了许多个小的种群——这种隔离称为地理隔离。被地理条件隔开的小种群的基因组成或基因频率起初就不可能完全相同。由于突变是随机的，被分割的小种群可能会出现完全不同的突变。由于地理隔离，各种群间没有基因交流，因此一个种群中的突变自然不会引起另一种群的改变。由于地理隔离，各种群生活在不同的生态环境中，因而有不同的选择方向。即，不同种群选择保留下的基因不同，使分开的种群的基因库组成和基因频率产生了很大的差异。经过长期地理隔离，不同种群在形态特征。生活习性上有了显著的差异，若再次相遇仍能交配和繁殖可育后代，这样的不同种群称之为亚种。如，东北虎和华南虎属于不同的虎亚种。如果通过长期的地理隔离，使不同种群个体之间形成生殖隔离(不能发生基因交流)。新物种就产生了，如，加拉帕戈斯群岛上的14种地雀的形成过程，就是长期的地理隔离导致生殖隔离的结果。 因此说:物种形成的原因是突变和基因重组、自然选择及隔离三个基本环节综合作用的结果。不同新物种形成的过程进行的十分缓慢，往往需要成千上万代甚至更长。 现代生物进化理论的基本观点是:进化的基本单位是种群。进化的实质是种群基因频率的改变。物种形成的基本环节是:突变和基因重组——提供进化的原材料;自然选择——基因频率定向改变，决定进化的方向;隔离——物种形成的必要条件 人类的起源及其智力的发展 一、人类的起源 人属于脊椎动物亚门、哺乳纲、灵长目、人科，与同目类人猿科(如黑猩猩、猩猩、大猩星)最相似，在血型、内脏、骨骼的结构和功能上都很相似。这些相似之处说明人与类人猿的亲缘关系很近。二者有着较近的共同祖先。随着科学的发展，这方面的研究已经不仅从外部形态、内部结构相似，而是深入到从分子水平进一步研究。如对蛋白质、核酸分子结构进行分析、比较。具体方法:对不同生物中细胞色素C(呼吸中重要蛋白质)中氨基酸(110个)组成的差异进行分析。 人与几种生物细胞色素C的氨基酸差异 再观察氨基酸序列程度排位后发现什么问差生物 生物 差异 题,根据差异程度推算出这些生物体在进化过程异 中分歧时间的早晚。人与猕猴之间差异小于人与黑猩猩 0 鲨鱼 23 鸡。因此分歧发生在人与鸡谱系间分歧之后。杂猕猴 1 苍蝇 25 交基础是具有互补碱基序列的DNA分子可以通过 牛 10 小麦 35 碱基配对，而形成稳定的双链区。让来自不同种 生物的两条DNA分子的单链放在一起进行杂交，龟 12 向日葵 38 其结果形成杂合双链部分越多，说明两种生物之鸡 13 酵母菌 44 间亲缘关系越近，反之关系越远。 人类适于两足直立行走，双手不再是行走器官，可以用来制造、使用工具，进化形成的许多形态结构特征与直立行走相适应。这些变化使人类祖先的大脑越来越发达，并逐渐产生语言，形成社会，人类从此不断发展起来。 人类进化的过程大致如图(参考链接) 大约在2300万年至1800万年前。在热带雨林地区和广阔的草原上，有一种古代灵长类动物??森林古猿活跃在那里，它们是人类最早的祖先。后来森林古猿不断分化和迁移，遂分化为罗摩猿和森林猿(湿婆猿)。 后来有人类学家在肯尼亚的特南堡上，找到了一种古猿化石，据说是腊玛古猿的化石，腊玛古猿生活在距今约1400万年到800万年之间，腊玛古猿在人类祖先演化的历史中具有很重要的地位，是人类从猿类中分化出来的第一阶。人类学家于1924年发现南方古猿的化石，地点是在南非金伯利亚以北，相传距今有500万年至150万年之间。它们还分为粗壮型和纤细型两种，一般认为:粗壮型是南方古猿发展中已经绝灭的旁支，而纤细型则是人类的祖先。然而1901年，荷兰籍医生、解剖学家杜布阿在爪哇梭罗河边发现了一种已绝灭了的生物的遗骨化石，它具有人和猿的两重生活构造特征。杜布阿把它命名为“直立猿人”，认为这是从猿到人的过渡阶段的中间环节之一。这一发现和命名立即在全世界引起了一场关于人类起源的激烈争论，这场争论一直到1929年12月发现了北京猿人才宣告结束。后来，我国科学家将同一进化程度的人类化石统称为猿人。猿人是从猿到人的过渡阶段的中间环节之一。 而生存在30万年至5万年内的智人则是我们的现代人类的祖先。据说智人有早期智人和晚期智人之分，早期智人又称为古人，晚期智人又称为新人。 从猿人开始，他们已懂得用火、并懂得用火将食物煮熟了吃。用一些石制的简单的工具，用来猎取和战斗。在漫长的历史岁月里，劳动创造了人，而物择天竞、弱肉强食和适者生存定律又使人类不断进化和优化。 这些方面的研究，是通过对发现的古人类化石进行的。到目前为止，世界各地发现的古人类化石，最早的不过四百多万年。(由于这些化石大多残缺不全，只能通过零碎头骨、颌骨、牙齿等等进行研究)经过科学家们的努力，从古人类形成到发展常分为四个阶段:南方古猿、能人、直立人、智人都是两足直立行走，特别是南方古猿其他性状大都像猿，由于两足直立行走所以属于人而不是猿。能人、直立人、智人也存在原始性状。随着人类祖先不断进化，他们身上的原始性状越来越少，逐渐形成人类的许多性状，特别是大脑日益发达，能制造、使用工具，获取生活资料，以适应不同的生活环境。 大规模地壳运动，使气候发生较大变化，在地形、气候巨变的影响下森林稀疏，林中空地扩大，被稀树草原取代。古猿由树栖生活转到地面，最终进化成人类;森林中古猿进化为类人猿。人类祖先由树上下到地面，身体结构发生了重大变化，由四肢行走转变为两足直立行走，增强生存能力。如身体重心下移，下肢骨骼增长，骨盆变短增宽，脊柱为S形，这些都与两足直立行走有关。两足直立行走是人和猿分界的一个重要标志。 二、脑科学 1、人与动物的比较 19世纪时，一个流行的观点是，人脑的发育反映了生物进化的发育。根据这种观点，子宫中的人脑最先类似于爬行动物的脑，接着是鱼脑，然后是鸟脑，最后是低等哺乳动物的脑，如鼠脑，再通过猫和相近的动物，一直到高等哺乳动物的脑。然而现代认为，人类胚胎脑没有任何时候会类似于蛇脑，如蛇脑中与嗅觉相关的区域(嗅球)就发育得特别好。更准确地说，每个脑都是根据特定物种的个体生活方式进化的。人的小脑在发育中也没有任何时候占过全部脑实质的一半或90,，而小公鸡和某种鱼的脑则分别是这两种情况。在不同的物种之间，小脑变异最少，然而，恰恰是发育成小脑的脑实质比例如此之高，偏离了脑的变异与特定物种相适合的基本图式。 出生时，人的头约与黑猩猩的同样大小，约350立方厘米。到出生六个月时，将达到最终体积的一半，在出生两年时，将是成年人头大小的四分之三。四岁时人脑的大小是出生时的四倍，约1400立方厘米。 象脑比人脑大5倍，质量达8千克，但是我们能说象比人聪明5倍吗,大概不能吧。有人认为，因为象比人大得多，所以不是脑本身的大小而是脑占身体质量的百分比才是重要的。与人脑占身体质量2.33,相比，象脑仅占其身体质量的0(2,。 可是，这种按脑占身体质量的比例判断动物聪明与否的观点也无法解释下面一个事实:鼩鼠的脑占它身体质量的3(33,，但不会有人认为鼩鼠是特别聪明的。既然既不是脑的大小也不是脑占身体质量的比例决定智慧的高下，那么，肯定还存在着其他对脑有关键意义的事实。 爬行类(如鳄鱼)和鸟类(如小公鸡)各属迥然不同的种属。尽管如此，它们却开始呈现出一种一致的基本脑模式。有些脑区随着进化几乎没有变化，如从脊髓伸出的主茎——脑干，它基本不会发生改变，被公认是一个界标。但有一些则有变异，导致明显的差别。例如，小脑在小公鸡中约占全部脑实质的一半，而在某种鱼中小脑竟可达全部脑实质的90,。小脑必定在许多种类的动物(包括人类)的身上执行一种共有的功能，但在小公鸡占特别优势，而在鱼中就更重要了。 在另一些有着更加复杂的生活方式的动物(如人类)中，小脑在整个脑的构成中占的比例要小得多。可以假设，小脑与我们具有的更加多变而特异的行为没有密切的关联，为了实施这些行为，我们必须有更复杂的脑。与小脑对比，在进化过程中经历了最多变化的是脑的外层，即皮层。 较复杂动物的皮层是折叠卷绕的，这是了解脑功能的一个重要线索。因此，尽管头颅相对较小，带来了一定的限制，但皮层的表面积却非常大。如果将其展平，大鼠的皮层面积大小相当于一张邮票，黑猩猩的相当于一张标准打印纸，而人脑皮层比黑猩猩的还要大4倍～在所有动物中，人类的生活方式最灵活、最不死板，因此人们认为，皮层必定以某种方式起作用，使个体得以从预先确定的固定行为模式中解放出来。皮层范围越广，个体就越能以特异的、无法预期的方式作出反应，以适应复杂情况的要求。 另一方面，海豚的皮层上有比人类更多的脑回，但据估计，其智力只及狗的水平。看来，皮层的大小和与此相关的脑回数目并不是唯一的决定性特征。海豚有很大的脑，这只是因为其脑的大小并不像人类那样受到母亲骨盆的限制。虽然海豚有较大表面积的皮层，但比人的皮层更薄，其中的神经元以不那么复杂的模式组织在一起。因此，尽管皮层胞回显然是决定脑最终能力的一个因素，并随人类在子宫中的生长和进化过程不断增加，但其他的因素也很重要。 人类与近亲黑猩猩相比，虽然脱氧核糖核酸(DNA)只相差1,，但人类的皮层联合区确实大了好几倍。脑的前部可见到一大块联合皮层，即前额叶皮层。在所有的皮层区中，这部分的生长势头表现得最为惊人:在哺乳动物进化过程中，猫增加了3,，黑猩猩增加了17,，而人则增加了令人惊愕的29,。这样，我们就可以理解，为什么人们对这些并不直接分管运动控制或感觉加工的皮层区最感兴趣，为什么这些区域同时也最难严格地按其功能和工作方式来理解。 2、神经元 1872年，在意大利一家厨房里发生了神经科学中的一次重大进展。帕维亚大学年轻的医学研究生卡米洛?高尔基(CamilloGolgi) 由于对大脑的强烈兴趣而建 立了一个简易实验室。困扰高尔基的问题是关于物质脑的本质:脑是由什么组成的。那时，尽管可将大脑切成碎片，但在显微镜下只能观察到一堆均质的苍白色浆状物。然而有一天，高尔基偶然地将一块脑块放入盛有硝酸银溶液的碟子中，并在其中浸泡了几个星期。结果，高尔基发现了一个极其重要的反应。当他取出脑块时，变化已经发生了。在显微镜下出现了一种复杂的图案:在网状的缠结中悬浮着黑色的斑点。我们现在知道，一旦将脑组织放入硝酸银中三个小时或更长，就有可能显现出脑组织最基本的组分——特殊类型的细胞，这种细胞称为神经元。由于仅有百分之一到百分之十的细胞与高尔基染料起反应，这些细胞即因反差明显而凸现出来。 神经元到底像什么呢,在所有的神经元中，都有一个直径约50微米粗短的团状部分，称为脑体(soma，来源于希腊语“身体”)。实际上，胞体的形状并不像团状一样模棱两可和无定形，而总是属于以下几种特征性形状之一，如圆形、卵圆形、三角形甚或梭形(形如老式的纺锤)。胞体包含了神经元生存所必需的所有细胞器。从这点上讲，神经元的胞体与其他任何细胞并无差别。然而，如果将神经元与其他细胞相比，一旦注意到胞体以外的部分，你就会发现一个巨大的差异:与其他细胞不同，神经元除了胞体外还有其他部分。 纤细的分支从神经元胞体中伸出，几乎就像某种微小的树。事实上，这些部分被称为树突(dendrites，来自希腊语，意为“树”)。一个神经元的树突在形态上千姿百态，在密度上千差万别，它们或者从神经元的四周长出使其呈星形，或从胞体的一端或两端伸出。根据树突分支的程度，神经元在总体外观上差异悬殊:在脑中，神经元至少有50种基本形状。 神经元不仅有这些小分支，而且绝大部分还有一个从胞体上伸展出来的长而细的纤维，称为轴突，它要比神经元其余部分长许多倍。一个细胞的直径通常约20至100微米，但在一种极端的情况中可长达一米，如沿着人脊髓下行的神经纤维。 只要看一眼神经元，你就很容易区分出这两个特征来。由于轴突远细于相对粗短的、分叉的树突，甚至在显微镜下也极难看到它们。树突就像真的树上的分枝，其末梢逐渐变细，轴突则不然。这就使得神经元在总体外观上表现为一个团状的中心区、一根蜿蜒而行的细长的纤维，以及伸出的相对粗短的微技。 树突充当信号的接收区，就像某个巨大的码头一样，接纳各种船只载入的货物。正如货物可以从码头上卸下，并沿着汇聚于某个中心工厂的路线运送，这些分散的信号沿着汇集于胞体的树突传导，如果信号足够强，树突将会产生一个新的电信号，或者沿用刚才的类比，将会生产出一个新的产品。 在脑中，电流由钠、钾、氯或钙离子运动而产生。这些离子分布于神经元内(钾)或外(钠、钙、氯)。但它们不能轻易地随机进出，毋宁说，所有四种离子因细胞膜这个壁垒而被停留在某个位置上。细胞膜不仅是单纯的一堵墙，而是由中间夹有脂肪的两层构成，就像一个奶油三明治。由于离子不能透过神经元膜中间与之不相容的油层，因而没有离子能够自由地进出神经元。 结果，离于在神经元内外积聚。细胞内还有其他带有负电荷的蛋白质。当把离子和蛋白质一起考虑时，神经元膜任一侧的净电荷分布是不平衡的;正电荷和负电荷的数量是不等的。对于神经元外而言，神经元内偏负。这样就产生一个电位差，即电压，用负值来表示，通常约-70毫伏或-80毫伏。 然而，假如这些离子一直停留在一个位置上而不能流动，从而不能产生真正的电流，那么，保持的电位差也就没有什么意义。设想一下，如果一个水闸的一 边蓄积了大量的水，而你却不能用它。对于细胞来说，要想产生电信号，电荷就必须流动，就像水必须从水闸中释放出来一样。为了电荷的流动，离子必须短暂地进出神经元。但是离子怎么可能穿越那个不通透膜中间的脂肪层呢, 于一个发送电信号的神经元，带正电的钠离子能短暂地进入细胞，暂时使细胞内部的电位比外部更正(去极化)。然而，这个电位一旦变正，如，20毫伏，带正电的钾离子就离开细胞，暂时使膜电位比正常时还负(超极化)。这样，当一个神经元以这种方式被激活时，电位差将产生一个短暂的特征性的变化:一个正脉冲，紧随一个负的超射。这个瞬变的正,负波通常持续约1,2毫秒，即所谓的动作电位。动作电位不同于电压(静息电位)，后者一般在细胞不发送信号时总是存在的。 为什么首先是钠通道突然开放,换一种提问法，是什么触发了动作电位,毕竟一个完全随机产生的信号是毫无意义的，就像夜间不意中响起的电话铃声，而电话线的那一端却又无人拨打。让我们回到树突这种从胞体中长出的树枝状突起上来。树突充当了来自其他神经元的输入信号的接受站。假如信号相当强，并且(或者)是持续性的，它们将沿着树突分支一直被传递到胞体，就像家里的电流沿着绝缘不佳的电缆流动一样。 如同某个大型铁路站，在任何时刻都有几十个、几百个甚或几千个信号汇集到中央细胞体上。在任一时刻，这种信号串都会影响细胞产生自身电信号(动作电位)的可能性。当这些输入信号到达胞体时，它们形成很高的总值，即最终的电压变化。如果在靶细胞中，这个新的净电压差足够大，它将引起对正向电压变化敏感的钠通道的开放，又一次产生了一个新的动作电位，但这一回是在第二个神经元中。 对任一给定的神经元，动作电位的大小总是相同的，典型值约90毫伏。但这样的一致性带来了一个问题。假如输入信号变得更多或更强，而接收的神经元由于受制于只能产生一种信号，则它将如何去传递这些差别呢,由于动作电位不能变大，当它所接收的信号变强时，神经元则将产生越来越多的动作电位。当这种情况发生时，我们说该神经元更兴奋。一个神经元发生信号强弱的方式是由动作电位产生的频率变化反映的。较常记录到的神经元速率约为30到100赫兹，但某些神经元放电能高达每秒500个动作电位(500赫兹)。每秒只产生一到两个动作电位的神经元被视为慢放电的。 为了同它们各自的靶细胞通讯，脑中绝大部分神经元以这种方式产生动作电位。下一个关键步骤是动作电位抵达其指定的目的地。就如树突充当神经元的接收区一样，更细的单一轴突担当继续输出电信号的输出通路。电信号(动作电位)传递的速率因轴突的直径及是否为称为髓鞘的脂肪鞘所绝缘而异。如果髓鞘变性，神经纤维传递电信号将不那么有效，多发性硬化就是这种情况。正常的运动是如此的迅速和自动化，致使几乎不允许大脑的思维和肌肉的收缩间存在延迟。大脑加工过程和我们运动所具有的轻而易举的敏捷程度，能够用神经传导速度来解释，它可以高达每小时近352千米～ 3、大脑 脑并不是一个均质团，而是如我们在第一、二章中所见的，由高度特化的区域组成。这些区域可以按其形状和各自在脑的总体功能中所执行的运作来加以区分。对于生长中的脑，至关重要的不仅是更多的细胞，而是它们必须出现在正确位置。一旦一个神经元已经历了几次分裂循环，就必须迁移到新脑中的正确位置上去。 起初，神经元会简单地从神经管外区移向内区，但当这一区域随着细胞增加而变厚，且构筑完善后，细胞会按其不同的命运向不同的方向移动。例如，有一些细胞恰在此中间区下移动，它们将成为一种特殊类型的神经元——中间神经元，在较小的局部回路中把神经元联结起来，而移到该区细胞的一部分将成为胶质细胞。 神经胶质细胞并不是神经元，但在脑中含量丰富，实际上其数量超出神经元10倍。神经胶质细胞(glia)这一术语源自希腊语，意为“胶水”。第一次观察到这些细胞时，它们似乎粘附于神经元上。有许多具不同功能的各类胶质细胞。一类胶质细胞(巨噬细胞)起的作用是清除损伤后脑内死亡细胞的碎片;另一类胶质细胞产生脂肪性鞘，绕在许多神经元周围，起着电绝缘的作用。 星形细胞是以某星形外表而得名的一类胶质细胞，它无处不在，似乎并无单一功能。原先人们认为星形细胞有一种相当被动的功能，即只是通过提供一种生物网架(更正式的名称为胞外基质)来防止神经元滑动。但现在已清楚，星形细胞起的作用范围广泛，且更为动态。在健康成年人，这些非神经元细胞，通过确保神经元周围化学组成上的良好微环境来保护神经元。它们起海绵或缓冲器的作用，清除潜在的过量或致毒含量的化学物。在神经元损伤发生时，星形细胞将会加倍工作，大小和数量均增加，从而能释放大剂量的物质，使随后的神经元生长及损伤后的修复成为可能。 在神经元迁移至发育中大脑的远端的过程中，胶质细胞有多重要呢,尽管对神经元迁移远未有清楚的了解，但我们已经知道，在脑发育中胶质细胞的一个特别重要的工作是作为一种临时的脚手架。胶质细胞先于神经元从原点出发，好像为其铺设了一条轨道。在它们的召唤下，神经元就沿着胶质细胞滑行，犹如在一 道单轨上滑行。若缺少胶质细胞，那么某些神经元将无法迁移，引起可怕的后果。每个神经元是如何知道何时离开单轨落到未来脑的特定位置上的，目前仍是一个谜。 随着越来越多神经元的增生、沿胶质细胞单轨迁移而后下载，大脑逐渐地生长起来，细胞一层层地堆积起来，有点像洋葱一样。最后，最外的一层(皮层)开始从最初的薄层细胞(皮层板)组建起来。随着更多细胞的到达，它们必须穿过新皮层的第一层而形成第二层，如此等等。在成熟的皮层中共有六层。发育中最先到达的神经元群构成皮层中最深的一层，离脑外表面最远，而形成脑表面的皮层最外一层的神经元群是最后迁移到的。 是什么使一个细胞成为皮层神经元呢,正像神经元离开胶质细胞单轨的确切地点难以确定一样，我们对神经元特化的方式也所知甚少。我们确实知道在大脑中存在一些“细胞粘连分子”，其作用有点像粘性标记，因此神经元可以很容易地粘接在一起形成一团。 ,人脑皮层约2毫米厚，其功能可按不同的惯例加以区分，每种功能分属50100个完全分开的脑区。这种分类在某种程度上是合理的，因为皮层的某些区域似乎与脑的信息输入和输出有明确的对应关系。例如，大脑皮层某个特定的专一部位发出神经信号至脊髓，从而使肌肉收缩，因此皮层的这个区域称为运动皮层。同时，还存在皮层的其他专一区域，如视觉皮层和听觉皮层，它们分别接收和加工来自眼和耳的信号。同样，皮肤中的神经也以类似的方式携带痛觉和触觉信号，上传至脊髓，再到对触觉传入信号有应答的皮层区域，即躯体感觉皮层。 然而，还有其他皮层区域并不能那么清楚地进行分类。譬如，接近头顶背部的区域(后项叶)接收从视觉、听觉和躯体感觉系统来的信号，因而，这样一个区域的功能就不那么显而易见。顶叶受损的病人按损伤的确切部位和程度表现出大范围的功能缺损。这些症状可以包括不能借助视觉或触觉辨认物体，或是对已经由一种感官体验过的东西，让其用另一种感官辨认时出现障碍。例如，顶叶损伤的病人不能通过视觉辨认球，而这个球是先前他蒙上眼睛时握过的。与这些感觉紊乱一样，脑的输出，即运动系统也被扰乱了。例如，顶叶损伤的病人在操纵物体甚至穿衣时手脚笨拙(失用症)。他们混淆左右，空间性技能受损。除了这些涉及脑主要的感觉输入和运动输出的问题外，顶叶的损伤还能导致一些非常稀奇古怪的想法。例如，病人竟然否认他们的一半躯体是属于自己的。这种现象是一种涉及更广泛的障碍的一部分，病人对一侧身体的触觉、视觉和听觉刺激都没有反应。 顶叶受损病人具有健全的感觉系统，并能极好地作肌肉运动。问题似乎是出在感觉和运动间的协调上，而在正常情况下这种协调自然是广泛存在的。顶叶皮层似乎以某种方式使两个感觉系统关联起来，甚或使感觉系统与运动系统关联起来，这个皮层区已称为联合皮层。但是，像顶叶这样的皮层区，并不仅仅是脑的输入和输出的一个简单的交叉口。而顶叶损伤病人存在的认知障碍，也可能导致他们会古怪地否认自己的半边身体。甚至会出现更糟糕的结果，例如病人会离奇地声称他们的手臂是属于其他人的。这样就清楚了，顶叶皮层像其他的皮层“联合”区一样，一定能够实施最复杂和最难以捉摸的功能——思维，或用神经科学家的术语来说——认知过程。 对不同种属动物的某个特定脑区进行比较的分析方法上来。我们可以看到，皮层联合区在那些具有最复杂的、最富个性化生活方式的动物身上最为显著。一条有关前额叶皮层实际功能的线索来自1848年发生在美国佛蒙特州的一个偶然 事件。菲尼亚斯?盖奇(Phineas Gage)是一个铁路班组的工头，一次事故中铁棒穿透颅骨直到前脑，严重地损伤了他的前额叶皮层。令人惊异的是，经过短时期的昏迷后，菲尼亚斯似乎并未受到这样一次严重伤害的明显影响。当他的炎症消除后，他的感觉和运动安然无恙，就好像什么事都没发生过一样。以前，菲尼亚斯是个愿意合作而友善的人，而现在他却变得专横、优柔寡断、傲慢、顽固、对旁人漠不关心。最终，他离开了在铁路上的工作，到处游荡，最终成为集市上一个行为怪诞的人而了却了他的余生。 前额叶皮层看来与呼吸、体温调节等基本生存功能或任何一种感觉加工或运动协调并无任何关系，但与我们头脑中最复杂的方面，即我们个性的本质和我们如何作为个体对外部世界作出反应等有关。这些奇闻轶事马上引起了关注，因为它们揭示出这样一个事实:我们看作是自身固有的神圣不受侵犯的性格竟然受肉体的脑的摆布，要知道它们可是我们的脑。另外，就目前我们正在讨论的前额叶皮层而言，这些报道也提出了与这部分脑区功能有关的问题，虽然不那么有哲理性，却更专一。 到60年代，额叶白质切除术是处理抑郁、焦虑、恐惧和侵犯等一系列极其强烈而持久的情绪反应的可选疗法。渐渐地，人们开始发现其疗效并非无可争议，事实上它的副作用相当严重。这些接受过手术的病人与菲尼亚斯一样，在性格上发生了变化，变得缺乏预见、感情漠然。与这种明显的无能力作前摄(proactive)相一致，额叶受损病人在处理特定问题时，往往拘泥于陈规，缺乏创新能力。他们不能根据外界环境的变化来调整或改变行为，只是执着地沉溺于旧时的经验。 一些神经科学家指出，前额叶受损病人与精神分裂症患者有相似之处。精神分裂症患者似乎与这些病人一样，在工作记忆方面有问题。所以人们把精神分裂症解释为是传入信息与内在的标准、规则或期望之间匹配的失调。精神分裂症和前额叶受损的病人有同样的问题，他们不能恰当地对感觉输入加以分类，也不会按照正确的时间顺序来进行记忆。皮层的不同部分，如运动皮层和躯体感觉皮层，明显地有不同的功能;而联合区，如前额叶皮层和部分项叶皮层，都各有其自身专门化的作用。但与颅相学家的看法相反，这些作用并不一一对应于我们性格的主要方面和现实世界中的特定活动。 4、中脑 帕金森病是以詹姆斯?帕金森(James Parkinson)的名字命名的，他在1817年首次报道了这种病例。这种严重的运动障碍主要侵袭老年人，虽然较年轻的人有时也可成为牺牲品。病人表现为步履艰难，而且安静时他们的手也会震颤，肢体僵直。帕金森病的吸引人之处是，与抑郁症或精神分裂症等许多脑的疾病不同，我们确切地知道它的问题出在哪里——中脑深部的一个区域。 在中脑的最核心处有须状的黑色区域，后来命名为黑质(black mass)，源自拉丁语“黑色的物质”(substantia nigra)。黑质之所以呈黑色，是因为这个部位的细胞含有黑色素。黑色素是脑中重要的化学物质多巴胺在经过一系列化学反应后的终产物。现已确证，黑质细胞在正常情况下产生多巴胺。 同样，人们早已知道，如果拿正常的脑与帕金森病患者的脑作比较，就会发现后者脑的黑质苍白得多，这是因为含有黑色素的细胞已经死了。这些细胞死亡带来的一个严重后果是，这个部位不再产生多巴胺了。如果帕金森病患者服用含多巴胺前体左旋多巴的药片，病人的运动就可以得到显著的改善。帕金森病不仅涉及黑质这样一个解到部位，而且也特异性地与多巴胺这种化学物质有关。有人把黑质看作是关键性细胞向脑中另一有关的靶区(纹状体)传送多巴胺的唯一部 位。于是又产生了一个重要的问题:纹状体中的多巴胺有什么功能,脑的解剖结构并非直接与脑中的化学物质相匹配，没有一种化学物质是某一脑区所专有的。更确切地说，同一化学物质可以分布在许多不同的脑区，而每一脑区可以产生和利用多种不同的脑化学物质。正因为如此，在考虑脑损伤时，很难说哪个更重要，是涉及的脑区呢还是脑中化学平衡的改变。 如果脑内没有足够的氧分，就会发生中风。氧的不足可以是由于血管的阻塞，从而阻止了携带氧气的血液进入大脑，或是因为血管变窄而造成血流量减少。如果发生中风，以运动皮层为例，将有可能追踪到一连串逐渐显露的相当有趣的事件。经历了这样一次中风后，起初病人可能没有任何运动，甚至没有反射活动，患侧肢体只是无力悬垂着(软瘫)。几天或几周后，出现了外观上的奇迹，尽管奇迹的程度将因病人而迥异。首先，反射恢复;接着，手臂开始变得有力，病人能进行肢体活动;最后，中风者能抓住东西。 在所有身体器官中，脑在燃料消耗上是最贪婪的。在安静时，脑消耗氧气和葡萄糖的速率10倍于所有其他身体组织。事实上，脑消耗的能量是如此之高， (5,弱，以致于仅几分钟缺氧，脑就会死亡。尽管脑只占我们身体总质量的2在安静状态下，它却要消耗20,能量。 5、小脑与运动 查尔斯?谢灵顿(Charles Sherrington)，本世纪上半叶最伟大的生理学先驱之一，总结了运动在我们生活中无所不在的作用:“从林中静谧的响声到一株树的倾倒，皆是运动”。从精巧的形体语言到准确的遣词造句乃至含意明确的拥抱，实际上所有的交流都依赖于运动。尽管运动可以是整体性的或者是难以察觉的，但所有的运动都依赖于身体某部位某一肌肉群的收缩。如果所有肌肉的收缩皆不复存在，所余下的就只有流口水和流眼泪的能力了。 他所研究的被囊类动物名为海鞘。当海鞘还是一个未成熟的幼体时，它把时间花在四处漫游上:它不仅可作协调的运动，而且还有原始的振动感受器(大致相当于耳)和原始的光感受器(类似于简陋的眼)。事实上，可以说海鞘有一种雏型的脑。但是，当海鞘成熟后，它改变了生活方式，开始贴在岩石上，靠过滤海水为生，不再也不必四处漫游。这个阶段的海鞘实际上完成了惊人之举:耗竭了自身的脑。 这则故事对脑功能提供的线索是，你只是在运动时才需要脑。对于稳定的生活形式，脑便不再是必需的。 那么，各种运动是怎样实现的呢,随着一个信号从脑沿脊髓下传，相应的肌肉即产生收缩。控制所有不同肌肉的神经信号按肌肉在身体的位置有序地从脊髓发出。脊柱损伤者不能运动的程度因损伤发生的节段而异。 有时，在没有脑的下行指令或控制的情况下，脊髓或多或少有自主功能。这些运动是反射。反射可定义为对特定刺激的固定反应——最明显的例子是膝跳反射。轻叩膝盖可触发膝跳反射，即小腿外弹。我们的正常运动技能并不像神经病学家用精制小槌人为触发的一种固定反应。我们所做的许多运动——如行走、游泳和跑步——包含肌肉群更复杂的协调运动。但在一定意义上，即使这些运动也是半自主的。这些节律性的下意识运动是由来自脑干的信号触发的。在这些脑干区域，不同神经元群向脊髓发送信号，使肌肉以重复的顺序进行适当的收缩。 自脑干下行至脊髓有四条这样的脑运动通路，一条是主管半反射节律运动(如游泳);而另一条是用视觉和感觉信息协调运动;再有一条在平衡中起重要作用;第四条运动通路则媒介单个肢体的运动。但是，还有一种运动不受以上四 个系统中的任何一个控制，那就是我们认为是理应存在的手指的精细运动。人类因具有灵巧的手而区别于所有其他动物。它使我们能制造和使用工具，因而获得其他动物永远无法实现的生活方式。例如，小提琴家手指的灵巧就是进化的惊人成就，在这里，手指快速而又控制自如的独立运动是关键所在。 不像其他用于肌肉收缩的下行脊髓通路那样，激发和控制手指精细运动的信号并非源于脊髓顶部的脑干，而是源于脑的最高的区域——皮层的条形区，这一区域横跨脑，有点像束发带，称为运动皮层。运动皮层的不同部分被分派来控制身体的不同部位。人们也许会设想，这种分派会与身体有关部位的大小相对应，即像手这样的小区域将受微小的运动皮层区控制，而像背部这样大的区域，将由皮层中最大的份额去控制其运动。但事实并非如此。分派的关键是身体的那部分所要作运动的精细程度。运动越精细，支配它们的相应脑区越大。这样，在运动皮层内，与控制上肢和背部的区域相比，控制手与口的区域要大得多。背部所做的运动没有手的运动那么精细或精确。 运动皮层对运动的产生是极关键的:它不仅直接控制支配手的肌肉和精细运动，还在其他四种运动通路上施加等级性影响。虽然在前一章已否定了任一功能都有单个指令中枢的观点，但在这里，运动皮层似乎确实有资格称为脑的“运动中枢”。 尽管运动皮层在运动控制中起关键作用，但它没有加以垄断。另外两个区也是运动中枢头衔的有力竞争者:基底神经节和小脑。这些区域远离运动皮层，如果其中任何一个区域受损，则运动能力就会受到各种严重影响。 小脑对小公鸡和鱼的生活方式所起的支配作用远比对人类的大。啄食或在海中漫游需要有一种协调能力，可以通过适当的运动来协调经感觉不断传入的信息。当其他动物逼近谷场中的面包屑时，小公鸡没有时间去思考或计划行动。也许小脑对由外部事件触发的自动运动有重要作用，而并非对内在的、前摄性思想过程所触发的运动。 令人惊奇的是，早在1664年，内科医生托马斯?威利斯(Thomas Willis)就对小脑有这种观点，他把小脑看作是一个真正与脑的其余部分相分离的结构，主管无意识的运动。威利斯在1664年的《小脑解剖》一书中写到:小脑是用于某些活动的动物精神的一种特殊源泉，与脑完全不同。在脑内„„完成所有自发运动，即我们所知所愿的„„但蕴于小脑的精神可毋需我们的知识或意愿，无声无息地完成造物主赋予的工作。 300年后，这一叙述仍然有效。小脑受损的患者可以运动，但动作笨拙。他们特别难以进行需要感觉与运动协调的技巧性运动，如弹钢琴或跳舞。小脑对一类有连续感觉反馈的运动有重要作用，这些运动转而又触发或影响下一类运动。例如，想象一下要让你的手在眼的持续引导下跟踪纸上的一个复杂图案。小脑受损的人会发现，作这种追踪运动特别困难。 人类从事许多更复杂的活动，它们并不依赖于环境中的即时触发。就小脑占据我们脑的比例而言，人类与小公鸡或鱼脑相比要小得多，显然我们更灵活和多样的运动技能降低了小脑的中心地位。尽管如此，小脑还是至关重要的，因为它所产生的对感觉运动的协调是技巧性运动(也是一种毋需有意识思考的运动)的基础。这些运动通过练习不断改善，可以变成几乎是下意识的。正因为如此，小脑已被该称为脑的“自动导航员”。此说与很久前威利斯的概括性描述不谋而合。 另有一种不受来自感觉的即时信息修饰的下意识运动。不像小脑控制的运动，这些与基底神经节有关的运动一旦开始即不能改变。这些“弹道式”运动像 冲出炮口的炮弹一样，一旦开始，就无法停下，其轨迹不能再改变。当某人挥起高尔夫球杆时，因为运动不能在最后时刻被校正，球可能嘲弄般地仍留在球座上:它要么被击到，要么打空。 与这些弹道式运动有关的脑区——基底神经节，实际是一群相互联系的脑区。这些脑区的任何一个部位受损，对运动都有灾难性的后果。根据基底神经节受损部位的不同，可能会有紊乱的非自主性运动(亨廷顿舞蹈症)，或正相反，艰于运动，并伴有肌肉僵直及震颤(帕金森病)。亨廷顿舞蹈症和帕金森病影响基底神经节的两个不同部分(分别为纹状体和黑质)，这两个部分在正常时似乎在一种力量平衡动作中起作用，它们锁定在一起，使第一区平衡第二区的活动，这有点像跷跷板或扳手腕。正常情况下，像实力相当的对手间的跷跷板或扳手腕一样，一个脑区牵制另一个脑区。 但想象一下这样的情形:跷跷板上的一个人比其同伴轻得多，或扳手腕的一方比其对手弱得多，此时平衡就打破了。这样，如果一个脑区的活动偏低，则另一脑区就变得过于活跃。正是这种活动的失衡导致异常运动。在亨廷顿舞蹈症的情况中，对话时虚弱的脑区在脑前部，即纹状体;另一方面，在帕金森病中，活动偏低的脑区是位于脑后部呈触须形的、含黑色素的区域，即黑质。 由于在正常情况下两脑区联结得如此紧密，致使任何恢复两者间力量平衡的药物都是有效的。在帕金森病，抑制纹状体活动的药物与增强黑质活动的药物有相似的效果。相反地，减弱黑质活动或增强纹状体活动的任何药物，对帕金森病都是有害的，但对亨廷顿舞蹈症是非常有益的。即使在一个总的脑区(基底神经节)中，组成部分本身都不是自主的，而是在彼此不断对话中实施其功能。 由此可见，并不存在单个运动中枢。毋宁说，运动能分成不同类型，由不同的基本脑区控制，尽管我们并不意识到这一点。可是，甚至这些不同的脑区，如小脑和基底神经节，并不以自主的单元起作用，而是在与脑外层(皮层)的不同部分进行对话中实施其功能的。例如，小脑与位于运动皮层前方的外侧运动前区有很强的联系，而基底神经节则与皮层另一区——辅助运动区有密切联系。确实，由辅助运动区损伤引起的功能缺损与帕金森病非常相似。 在正常情况下，一种十分吸引人的设想是，把皮层下区看作控制不依赖有意识思维的运动。例如，当交通指示灯变红时，踩刹车似乎是种自主运动，事实上它与小脑有关。相反，在一个周日下午，如果你最后决定从扶手椅中站起来，实际所作的运动几乎不需要有意识的计划。即时的感觉触发并不存在，但起身却是自主的。有些神经科学家甚至把这类运动称为“运动程序”。不论冠以什么名称，这类内部触发的运动(我们大多认为是想当然的)是由基底神经节控制的。但对于帕金森病患者来说这非常困难。在这些病例中，基底神经节和小脑摆脱了皮层的影响，不能进行连续的运动控制。另一方面，某些运动，不管是弹道式的或感觉触发的，可能需要不同程度的意识控制。在这种情况下，辅助运动区和外侧运动前区在与它们的皮层下伙伴(基底神经节或小脑)进行各自对话中更充分地取得支配地位。 运动的产生是许多脑区共同活动的最终结果，就像各种乐器在一首交响乐中所做的一样。所作运动的类型以及是否需要意识控制，严格地决定了哪些脑区参与活动，而在帕金森病的病理情况下，脑区之间对话的结果是一边倒的。 6、感觉与认知 与运动不同，感觉提供给我们一种清晰的刺激，不管是光、声响，还是掐或山莓味，我们能对“信号”在脑中加工的不同阶段跟踪其踪迹。也许这样一种清晰的通路自然地将我们引导到一个最终的视觉中枢、听觉中枢，等等。正像存在从大脑出发经脊髓的控制肌肉和运动的通路一样，也存在沿脊髓上行传入大脑的输入信号。这些信号与触觉和痛觉有关，称为躯体感觉系统。例如，针刺皮肤后，皮下局部神经把信号传递给脊髓，尔后，这些信号在脊髓上传，最终到达大脑的最外层部位，即紧靠运动皮层后称为躯体感觉皮层的皮层区。 存在两条沿脊髓上行到达躯体感觉皮层的主要运动通路:一是进化而来的系统，主要与痛和温度有关，而另一较后出现的系统则传递与触觉相关的精细信号。这是在直觉上很吸引人的安排，它把更基本的既定的系统，与痛、温度这样基本的生存因素相关是有道理的，而有精细触觉参与的更精致的技能，随着生物体的进化才变得日益重要起来。 躯体感觉皮层的不同神经元对应躯体不同部分的触觉。你可能会预期，你手(这是你身体相对较小的部分)上的神经元只到达皮层很小一部分。但正像我们在运动皮层所见，你躯体的区域与对应的躯体感觉皮层区之间并不直接匹配。手和口占有的代表区大得不成比例。 神经元的这种有偏向的分配是有道理的。正像手和口在运动皮层中占有相当大份额神经元，从而使我们能演奏小提琴及讲话一样，身体的这些相同部分在躯体感觉皮层中也占神经元中的很大比例。因为摄食和感觉东西属手人类最基本的行为，所以要求口和手对触觉非常敏感。如果你在牙医处曾有过局部麻醉的经验，你就会感觉到，一旦对运动或接触不敏感(甚至在口中很小的区域)，情况将是多么糟糕。 躯体不同部位触觉敏感性的差异很容易证实。如果把一副圆规的两根针尖靠得较近，然后轻轻地放在躯体的不同部位，那么，即使两针尖之间的距离保持恒定，依据它们所放的位置，我们的感知将是不同的:有时为一个点，有时为两个 点。例如，在背部小区，由于皮层中细胞占有量少，且敏感性弱，相对较近的两点感觉上就像一点。相反，当两针放在指尖上时，在皮层有足够数量的对应细胞可以传递相当敏感的信息，从而产生两点的感觉。在感觉方面，对应躯体协调的各部分的脑区分配，依赖于该部分对眼下作业的重要程度。有些特化的器官的输入并不依赖沿脊髓上行的信号，也不依赖来自身体不同部分的不同信号量。那么脑是怎样处理这些输入信息的呢,我们甚至是怎样开始看和听的呢, 具有较简单生活方式的简单神经系统毋需丰富的视景，例如，蛙不会得益于能够辨认蒙娜丽莎的细节。在蛙的世界里，蛙所想知道的无非是有无天敌或猎物，它的视网膜因此变得仅对天敌或它能捕食的猎物(如前后飞动的蝇)投射的阴影敏感，目标的细节是无关紧要的，蛙眼对此并不留下印象。而在蛙的眼前出现一个细线系住的，略似掠过的苍蝇的摆动软木时，它不仅弹出舌头来捕住苍蝇，还舔嘴唇，做出所有猎食及品尝的动作。 作为动物界的普遍规律，眼相对于身体越复杂或越大，则脑的其余部分就越小。在最早期阶段，脑对输入信息的脑区分配尚未出现偏向时，外周器官比更精巧的脑进行更多的信息处理。昆虫的复眼有点像圆屋顶，配置在头的两侧。每只眼由上万个不同模块构成，总计有一万个指向不同方向的小眼面。有些昆虫有多达三万个这样的小眼面。光通过每个模块汇聚起来，产生一种巨大的放大作用。在人类来看，由于这些模块的透镜不能加以聚焦，其结果远没有那么完美。而对于昆虫来说，最大的优点是不用转动头就可把大视野投射在少量的细胞上。小眼面越多，图象就越精细。这种眼对视景中的任何变化及光的偏振面却非常敏感，但复眼不能提供高分辨力。 人眼则很不相同。它是球形的，由两个主要部分组成，为晶状体所分开。晶状体是一个透明的、有弹性的凸形结构，它由韧带悬拉着以控制其形状，其形状根据你要看的目标的远近随时改变。与眼最前面的角膜一起，晶状体帮助我们聚焦。有色的虹膜(个体之间的变化很大)通过缩小或放大瞳孔来调节进入眼睛的光量。位于眼前部的角膜和晶状体之间的空隙里充满水质液体，而组成眼主体的第二个空腔则充满果冻样物质。 在眼的后部是视网膜，这是图象检测区。如果在显微镜下看视网膜，细胞似乎杂乱无章地缠结在一起，有点像一个网，因此称为视网膜(retina，源于拉丁语retus，意即“网”)。视网膜的这些细胞通过电信号的变化，对光的变化作出反应，这种电信号先要通过两层中继细胞，然后经称为视神经的纤维束传至适当的脑区。 视神经离开视网膜进入脑的出口是“盲点”，此处没有空间可容纳光敏细胞，它位于眼中间的近鼻侧。在眼中心的近耳侧，则是称为中央凹的视网膜区。中央凹是一个小的凹陷，在该处高度密集着对光敏感的某类细胞。光照在这个区域时，由于有较多细胞参与工作，视觉最理想。在猛禽的中央凹，密集的细胞比人类多达五倍。此外，与人类不同，鹰有两个中央凹，一个是提供边缘视觉的搜索性中央凹，另一个是判断最深的跟踪性中央凹(景深判断是用两眼进行的)。 与人眼不同，所有鸟限在其眼框中都是固定的。为了改变它们的视线，鸟类必须转动整个头和颈部。要是我们不能在不转动头的情况下来回活动眼的话，我们的生活方式将受到极大的影响，例如想象一下我们该如何阅读,然而，在鹰和人类，光(电磁波)通过眼球，穿过视网膜外层，才被光敏细胞处理。对颜色敏感的细胞称为视锥，而另一种光敏细胞称为视杆。这些视杆细胞处理昏暗条件下的视觉，而三类视锥细胞主要对三种基色(红、绿、蓝)作出反应。在电磁波谱 中，人眼只能检测非常小的一段，即可见光，波长在400和700纳米之间，而电磁波的整个波长跨度则自10米(调幅无线电波波长)至小于1纳米(X光和γ光的波长范围)。光是怎样被记录在脑中的,它必须首先被视网膜转变成电脉冲。在暗中，视网膜的视杆持续地释放化学信使给下一级中继细胞。当光出现时，它被视杆中特异化学物质(视紫红质)吸收，这一化学物质吸收光后产生的变化，触发在该细胞内的级联性化学反应。在视杆内，这些反应的最终结果是其电特性的变化。 正是电特性，即视杆通常所产生的电压的这种变化，改变了暗中的信息传递。在其他类型光敏细胞(视锥)中，我们借助于对一定波长范围的光有不同反应的视锥的选择性，开始对颜色信息进行加工，这些视锥的最高敏感性分别在红光、绿光或蓝光的波长上。不同的颜色使不同组合的视锥兴奋。例如，若某一波长使等量的红视锥和绿视锥兴奋，则感知为黄色。 我们已看到，电磁波被视网膜细胞转变为电信号，但视网膜并不是对视野中的每件东西都作均匀和等同的信号传递。图象在传入脑时非常不均匀。例如，如果一个物体中有一大片均匀区域，则仅有微弱的信号传入;而当存在反差时，传入的视觉信号极强。视网膜实际上只与检测变化有关，但变化不仅在空间上发生(即边缘反差)，也在时间上发生(即运动)。视网膜能作这样的适应，使之不再对静止的目标产生反应，而仍保持对运动发出信号的能力。为理解神经系统对变化状态的偏爱，可以想想闪烁的光如何比持续的光更引人注意。我们的生存可能更多地依赖于周围情况的变化，亘古不变的情况对生存的意义不大。 眼球本身不是自治的视觉中枢，毋宁说，它是一扇门户，通过这扇门户，所有重要信号得以进入脑作进一步加工，然后我们才能真正看到。视网膜电信号沿视神经纤维送出，经盲点传送至脑中的丘脑(thalamus，在希腊语中意为“房间”)，丘脑占脑中段(间脑)的大部分。之后它又把信号传到位于头后部外层的视皮层。对失去部分视皮层病人的研究，为神经科学家提供了一些非常有吸引力的见解，有助于我们去认识在该区域中所发生的导致我们视觉的事件。 例如，一个四十多岁的中风患者，她的视皮层内一个相当局限的区域中细胞受损。虽然她可以看到所有静止的物体及其他任何东西，但她无法看到运动中的物体。如果让她冲茶，在她眼里，水流好似冻结的冰柱一样。她确实无法进行这一活动，因为她会不停地冲茶，她看不见茶杯里的液面在上升，因而她无法知道何时应该停止。这位患者还说，当她同人说话时，对话也成问题，因为她看不到说话人的嘴在动。更糟更危险的是，她不能察觉汽车的运动:一开始那车在某处，而后它突然就几乎撞上了她。另一方面，这位妇女却可以通过听觉或触觉察知运动。 自从第一次世界大战以来，类似的情况就一直有报道，医生们对战斗中头部受伤的病人作了详细检查。乔治?里多克(GeorgeRiddoch)，那个时代的一位内科医生，就曾研究过这些患者。他在报告中指出，有些人并不像刚才讨论的那位妇女那样，他们可看到运动，但看不到形状和颜色。有正常视觉的任何人常有这样的经验:如果某东西在极边缘的视野里运动，你知道有东西在动，但如想看清是什么东西在动，就需要转过头去看。 同样，有些人可以看到形状和运动，但看不到颜色。对于视网膜中缺失视锥的病人，或头两侧的关键部位受损的病人，其命运可能是他们将完全生活在灰色世界中。但如果脑只有单侧受损，则一半世界是彩色世界，而另一半是黑白世界。 最后，还有一些视觉系统受损的患者可以看到运动和感觉颜色，但看不到物体的形状。认知不能(agnosia，源于希腊语，意即“不能识别”)的特征是，能看到物体，但无法识别。失认的严重程度因患者而异，甚至同一患者都可能不时有较好的形状视觉。视觉专家泽米儿?泽基(Semir Zeki)对这种特定情况如此多变的原因提出了一种解释:如果复杂形状是由不那么复杂的模式逐渐在大脑中组合而成，那么这个逐渐组建过程在不同患者也许是在不同阶段被阻断的。这就是为什么一些患者比另一些患者有更好的视觉技能。泽基认为，“理解”和“看到”不是两个分开的过程，它们之间有无法割裂的联系:如果你看到某个东西，你将自动地识别它。另一方面，泽基还争辩说，如果你没有看到你眼前的东西，那是因为在你视皮层中对复杂形状识别的高级整合过程出了问题。很明显，你将不能识别物体，你将成为不同严重程度的“形状盲者”。 鉴于上述情况，很明显，形状、运动和颜色视觉可以相互独立地发生。目前的认识是，我们至少部分地是以平行方式对视觉进行加工，即在脑不同部位同时处理视觉信号。我们视觉的不同方面(形状、色觉及运动)对我们来说似乎是一个完整的整体，但其实它们至少部分地是由从视网膜到视皮层信号传递的不同系统所处理的。这样，像我们在上述有关运动的病例中所看到的，不同脑区是通过共同工作来完成那些我们认为是单一的功能的(在本例中是“看到”)。可是它们是怎样汇集在一起的,又是在脑的什么部位，所有平行视觉信号汇集成单个实体,这又是一些难解之谜。 有些人认为，这些不同通路汇集于脑的某些部分，就像铁路汇向伦敦中央车站一样。这种观点在一定意义上是前章中所讨论过的颅相学说在20世纪后期的翻版。想象一下，如果在我们的头中有一个或两个相当的脑中央车站，那么这一区域一旦受损将导致视觉完全丧失。但这种情况从不发生。我们还有一个例子可以说明为什么脑不是微型脑简单的聚集。脑区间的连接并不是汇集于一个执行中枢，而是更像是采取关键脑区间平衡对话的形式，这与我们在运动控制中看到的可作类比。 但是，这个相互作用的平行脑区的设想还是没有解决神经科学最大的奥秘之一:我们到底是怎样看到东西的,一方面，对看到一个物体时所作的视觉加工过程中的复杂步骤，我们的认识已取得了很大进展。现已知道，在视觉过程中脑的哪些部分在何时、在什么条件下是活动的。另一方面，这样的反应在脑被麻醉，即在全无意识情况下仍然存在。还没有人发现在清醒的脑中发生，而在麻醉条件下却不发生的单一事件。一旦找到这样的事件，我们就能确定，意识对视觉过程的干预是一种明确的生理,解剖机制或事件。 人们已观察到，在完全清醒的病人中，存在脑的视觉过程和有意识觉察明显相分离的情况，这些观察使谜变得复杂化了。第一个病例最初又是来自第一次世界大战中头部创伤的报告，这种病例后来在70年代被称为盲视。盲视病人在其视野的一定部位是看不见的，但如要他们“猜猜”，他们却可以指向位于那个区的他们声称看不见的物体。很清楚，脑仍然在实施功能，但实际看到物体的意识已丧失。泽基和物理学家埃里克?哈特(Eric Harth)等一些人认为，神经元回路的解剖完整性是十分重要的。就像我们前面见到的，脑区可被看作跷跷板游戏的参与者，它们之间的平衡，它们间的相互作用，比任何单个区域本身更关键。哈特认为，不仅存在与感觉有关的信号，传到皮层进行加工，而且皮层也可发出信号拦截这种传入的信息流，并加以修饰。皮层拦截越强，最终的意识经验则离客观外部事件就越远、越离奇。泽基还把这些反馈通路用于盲视的解释中。 泽基认为，盲视是由于这个平衡回路的被破坏。信号的加工仍可传入脑，但由于正常情况下维持脑区间对话的通路不再运转，有意识视觉消失。但是这种观点并不与盲视病人观察到的十分有趣的情况完全一致:对一定脑区的实际物理损伤程度，不一定是决定盲视病人怎样反应的唯一因素。在一些病例，盲视可被其他因素所逆转，例如，让一个静止目标运动起来病人便会有反应。也许，对于最后意识到看见了一个物体，重要的不仅是完整的神经元回路，也包括所涉及的物体的特定性质。 另一个导致视觉缺损的脑损伤是面容失认(Prosopagnosia，源于希腊语，意为“不能识别面孔”)。盲视是在未察觉的情况下作出识别，而与盲视者恰相反，面容失认者察觉了，却不能识别。病人能把面孔看作面孔，但认不出任何人，甚至认不出他们自己。但如果一张面孔通过展示与其有联系的面孔而被“心理强化”，情况就会发生明显的变化。例如，如果在展示戴安娜王妃的相片之前先展示其前夫查尔斯王子的相片，病人常能识别戴安娜的面孔。于是，我们又有了一个意识依赖于一个以上因素的例子。在脑中所发生的某种神奇事件，使我们不仅能加工我们视网膜所记录的物体，而且能有意识地看到它，但我们对这些因素在脑中怎样导致这种神奇事件的产生，至今毫无端倪。 对于所有的感觉，还存在的奥秘是，自我主观意识因素的本质是什么。例如，我们听到的远不只是振动本身。不像我们看到一张脸，看到的是线条和反差，我们听一首交响乐，并不是把它听作为振动。我们感觉的是一体化的整体，这个整体是通过记忆、希望、成见和其他内在的认知特质所形成的。 脑中另一个引人入胜之谜是，为什么到达视皮层的电信号感知为视觉，而到达脑的另一部分(如躯体感觉皮层或听皮层)的同种电信号，却会分别感知为触觉和听觉。至今还没人能给出满意的解释。有一种观点认为，我们是通过经验学会区别视和听的;另一种观点是，每种感觉系统以某种方式与一定类型的运动形成占优势的联系，这样就把差别突现了出来。 但有一些众所周知的例子使这种感觉间的区别荡然无存，称为“联觉”的感觉混合即为其中之一。表现出联觉的人可能声称“看到”某些音符有一定的颜色。实际上五种感觉中的任意两种组合都可能发生，虽然最常见的是听到不同的声音时感觉到不同的颜色。联觉多发生于儿童，但患精神紊乱(如精神分裂症)的成年人也能产生，也可由致幻药物引发。感觉的分离明显归因于正常脑组构的某一方面，而这一方面又不免有个体差异。一种可能是，在联觉患者的脑中存在附加的神经连接，它们不仅从涉及的感觉器官扩展到相应的皮层区，而且也支配另一皮层感觉区。但这似乎不大可能，因为这样的状态只在一定的条件下发生，因此不能解释联觉体验的多变性。更可能是，不参与每种感觉初级加工的皮层区，如联合皮层，也以某种方式起了作用。 联觉是意识——脑最终的谜——的一个侧面。 7、睡眠 至此我们已看到，一个人隐蔽的自身意识的内部世界，是怎样受涌入的感觉输入的影响，又怎样反映在输出的运动中。通过接受关于我们所处环境详尽而持续的信息，以及对每种情况迅速作出适当的反应，我们与外部世界不断对话。决定这种对话有多活跃、多有效的另一个因素是清醒的水平。当入睡时，我们并不感知周围世界的任何事物，我们也不四处行走;而在另一极端，高度清醒状态会导致不羁的行为，我们对不起眼的小事反应过度，并不停地无目的地走来走去。 心理学家早已发现，当我们处在中等清醒程度时，能最有效地完成任务。因此，清醒程度是至关重要的精神状态的一个重要因素。 我们熟悉清醒状态的极端情况:当我们睡眠时，清醒水平是低的;如果我们过分激动或容易烦躁、心跳过速、掌心汗湿，则说明我们过度兴奋或过度清醒。清醒总是伴着我们，只是程度不同而已。它由脑干内不同类的化学物质所控制，这些不同类化学物质在昼夜不同的时间内起支配作用，或因情绪、疾病而起支配作用，它们还把信号上传至皮层的广大区域，从总体上去调制脑细胞许多回路的工作。清醒状态可用大范围皮层区的平均电活动的变化来监测。 早在1875年，英国生理学家理查德?卡顿(Richard Caton)就从兔脑和猴脑中记录到微弱的电流。这一发现几乎未引起注意。15年后，波兰生理学家A(贝 )和奥地利人E(弗莱舍尔?冯?马克索夫(E(Fleischel Von Marxow)克(A Beck 之间发生争执，他们各自声称在脑中发现了电活动。其时卡顿指出，他早在英国医学杂志上发表了有关论文，这才解决了争端。直到那个时候，他的发现才得到正式认可。这一发现的临床意义在50年后才被认识到，1929年德国精神病学家汉斯?贝格尔(Hans Bergar)首先作了尝试，记录了人脑的电流。 当电极置于颅表时，它不会引起任何疼痛，人完全清醒，可检测到不同类型脑电波。汉斯?贝格尔相信，这些信号是由于心理能量所致，他称之为P能量。这就是至今仍在神经病学中广泛应用的一项技术——脑电图(EEG)的发端。与贝格尔认为脑电波由某种特殊的脑,精神能量产生的观点相反，脑电图记录的电波是由脑表面之下成千上万的脑细胞产生的。 脑电图不仅显示脑电波的性状，而且显示它们怎样变化——其模式实际上可随不同的清醒状态而变。如果你松弛而清醒，则慢波将主要出现在你的头后部，该过程称为a波。实际上你可以通过放松使你自己产生a波。人口的日益增加已使放松变得不那么容易，产生了现代最大的祸害之一:慢性紧张。帮助这种人学会放松的一个方法是，告诉他们什么时候产生a波。一种非常聪明的方法是把人的脑电图与玩具电动火车联在一起，这种火车只有在a波产生时才沿着其轨道跑动。人们可以学着使自己处于正确的状态以使小火车动起来。相反，如果你很兴奋、很清醒，那么电波模式会发生转变。其时，作为整个群体的一部分神经元工作得不那么紧张，而代之以更自主的方式活动。 脑电图模式随年龄也有变化。早在胎儿三个月时，即可从母亲的子宫记录到电活动。只有到了第六个月，脑电图才变成一种清晰的、有规律的慢波。在儿童长到十岁前，能检测两种很慢的节律:一种是每秒4,7次的B波;另一种是每秒1到4次的&波，但&波不见于健康清醒的成年人。 脑电图不仅对研究正常的脑活动，而且对研究癫痫等脑疾患都有重要意义。在癫痫发作时，存在一定类群脑细胞的强烈放电，可导致惊厥。这种强烈放电可在脑电图上检测到，神经病学家用以对损伤的脑组织作出定位。 脑电图的另一种应用是，为研究我们在睡眠时脑中发生的事件提供了一个诱人的窗口。通过从头颅记录的不同电活动模式，可以把睡眠区分成四期。当我们入睡时，我们非常快地通过四个阶段，从水平1降至水平4。整个夜晚，我们在四期睡眠中不断反复。 在夜晚多次循环往复的四期睡眠之外，还有另外一期与之完全不同的睡眠。在这期睡眠中，我们的眼球来回快速运动，由此命名为快速眼动睡眠或REM睡眠。如果人们在REM睡眠中被唤醒，他们通常报告他们刚做过梦。容易想象，眼球的快速移动是由于睡眠者观察梦中移动景物所致。有趣的是，有梦睡眠时的脑电图 与觉醒时的脑电图相同，而不同于无梦睡眠期的脑电图。在正常的睡眠期，如果我们不做梦，通常会辗转反侧，而在REM睡眠中，我们的肌肉变得麻痹，这种麻痹状态有其重要性，因为它可以防止睡眠者表现出梦境的动作来。 不同的动物显示REM睡眠量也不同，爬行动物根本没有REM睡眠，鸟类偶尔有之，而所有的哺乳动物，至少按其脑电图来看，似乎都能做梦。按平均一夜睡眠时间7(5小时计，人总共要花1(5,2小时做梦。目前记录到的持续最长的REM睡眠时间为2小时。倘若REM睡眠确实在我们的睡眠时间里占了相当比例，那它可能有其价值。对于我们为什么做梦已经有几种理论。一种理论认为，由于脑不再被来自外界的现实信息所束缚和限制，因而在某种意义上，脑开始随心所欲起来，这种情形与工作一天下班后我们自由活动的情况相似。然而，做梦并不只是脑在玩耍，有证据提示，做梦对于做梦者来说是有益的。当脑电图显示某人正处于REM睡眠，因此可能在做梦时，将其唤醒，则他们将在下一晚设法补偿，即其REM睡眠量将增加。在一项实验中，每当脑电图显示受试者处于REM睡眠时即将其唤醒，在第一晚受试者被唤醒10次，但到第六晚时，受试者则被唤醒多达33次，因为其大脑总是徒劳地企图进入梦境。 另一种理论认为，梦使我们能与问题妥协，并记住白天所发生的各种事情。尽管对成年人来说，容易想象梦可以为此目的服务，但这似乎并不是其主要目的。26周的胎儿的所有时间都处于REM睡眠中，但他们并没有体验要调整，没有问题要解决。在儿童期做梦时间逐渐减少，这种观察提示，做梦更多地是表示了尚未成熟的大脑的一种功能状态，此时脑的神经元回路还很不健全。也许做梦本身就是一种意识，这种意识是大脑不同区域间不那么活跃的对话的结果，而这种情况，又是因为神经元相互间的连接还处于正在建立的阶段。 如果确系如此，那么这种理论将有两个非常有意思的含义。首先，它提示，当我们处于REM睡眠时，我们大脑中不同区域间的联系程度变得小得多了。其次，人们已经注意到，精神分裂症患者的意识，与我们不合逻辑而又非常真实的梦境的意识常常是很相像的，因此，精神分裂症的主要问题可能是向脑区间通讯下降的情况的一种回归，导致其梦幻般地来看待世界。虽然做梦的功能可以说是调处自身问题的一种方式，但更像是大脑活动的某种状态的结果。在这种状态中，因为处于入睡状态，我们无法处理大量的感觉输入，或者像在婴幼期那样脑尚未完全发育，或者像精神分裂症的情况，占优势的化学物质限制了脑内大群细胞间大规模对话的效率。无论如何，做梦是意识的又一个方面，对其原因和功能至多只能作一些极端的猜测而已。 在睡眠期间，脑制造蛋白质的速度远远高于觉醒期。蛋白质是一种大分子，为维持结构所必需，它又是体内所有细胞(包括神经元)功能的基础。睡眠使我们有机会把对脑正常发挥功能至关紧要的化学物质储存起来。但是脑正常发挥功能，并不仅仅指的是我们意识到的过程，如学习和记忆，也指无意识的过程，如体温调节过程。 在正常情况下，我们只把从食物及氧气中获得的一部分能量立即转化为热量，其余的能量则储存起来，为脑和躯体的所有其他重要功能所用。假如一个人一晚只允许睡三个小时，那么不出一周，其中的许多功能就开始减退;假如我们被剥夺了睡眠，能量就不能有效地储存，更多的能量会立即作为热量耗散掉。所以，那些持续地被完全剥夺睡眠的人，最终将使自己精疲力竭。假如老鼠长时间不睡，它们将需要越来越多的食物维持其能量。尽管这些老鼠摄入大量食物，但它们身体质量减少，精力耗尽，最终死去。显然睡眠是非常重要的。 脑及其觉醒系统的另一种有趣的特征是，它通常知道何时该入睡。至少在一些非人类的动物身上，脑中有一部位在睡眠与觉醒中起着重要的作用，这就是松果体。松果体深埋于脑的中部，不像脑的其他结构以中线为界，左右各一，松果体则刚好位干中线上，跨越大脑的中部。 正因为如此，三百年前的哲学家笛卡尔(Rene Descartes)认为，松果体即灵魂的所在地。笛卡尔论证道，既然脑内没有两个松果体，而且既然我们只有一个灵魂，那么灵魂一定位于松果体中。 现在我们知道，松果体在调节睡眠和觉醒方面是很重要的。光可通过颅骨直接刺激鸟类:我们知道，甚至当松果体从鸟类中被完全剥离出来放在盘中时，它仍然对光敏感。当光线由亮变暗时，松果体无反应;但当光线由暗突然变亮时，则小公鸡被唤醒。松果体分泌褪黑激素。这种物质随一天中的不同时间在脑中波动。当脑中褪黑激素含量高时，就产生睡眠。事实上，给麻雀注射褪黑激素可使它们入睡。虽然这样一种简单的事件系列乍一看来似乎与我们很复杂的人类并无关系，但值得注意的是，在美国，褪黑激素是人们用于调整高速飞行产生的时差的常用手段。在新时区中，睡前服下一片褪黑激素，可以使人迅速入睡，其作用可持续相当一段时间。 对人类而言，睡眠,觉醒周期通常由多种因素控制。睡眠和清醒并非是受脑控制或在脑中记录的唯一节律。曾经有一项非常可怕的实验表明，人的痛觉敏感性有虽不那么明显但却重要的日常节律。足以令人瞠目的是，参加实验的人会自愿在整个白天和夜晚接受几次经由牙齿的电击，然后报告他们感觉有多痛。原以为人们可能在所有时候都感受到同样的疼痛，但令人惊奇的是，在白天的某些时间内，人的痛觉感受几乎可达其他时间的两倍，而以早晨最为明显。中午时分，痛觉几乎难以忍受。 研究痛觉的方法之一是古老的中国针刺疗法。针刺疗法的基本思想是，使身体的功能状态恢复平衡，从而使称为“气”的生命力在各个器官之间取得完全的平衡。其基本过程是在身体上365个穴位中的一个，用针刺入1至4厘米深。针刺疗法用途甚广，例如帮人戒烟。关于针刺镇痛作用的发现，有一种说法是与古代战争有关的，那时人们用弓和箭作战。当箭从受伤战士身上拔出时，在伤口中常常来回旋转，这颇像今天的针刺手法。令人费解的是，战士有时会感到疼痛减轻。 针刺对疼痛的缓解十分有效，有时甚至可以在针刺后进行外科手术。为了达到更好的镇痛效果，银针应在穴位处放置约20分钟。针刺会以某种方式干扰正常的痛觉过程，由此通过皮下神经把信号从受影响区域传至脑。如果给扎针处的皮下神经施与局麻，针刺的镇痛作用则消失。看来，当一根神经被刺入的针机械地刺激时，脑所感知的疼痛会发生变化。由于镇痛效应在针留在原位20分钟后才产生，而在撤针后又可持续一个多小时，有一种可能是，针刺本身并不是直接起作用的，它们一定导致了脑中某些自然化学物质的释放，而这些物质能对抗疼痛。也许正是这种化学物质受昼夜节律的影响，甚至可被药物所改变。 在本世纪70年代早期，人们证实脑内存在类吗啡物质:脑啡肽，这是神经科学近年最伟大的发现之一。当这一物质被药物阻断后，则痛觉增加，针刺不再那么有效。通过相同的机制，吗啡可模拟这种自然化学物质，使脑产生大量脑啡肽被释放的错觉。脑中并不存在痛觉中枢，而脑啡肽在脑和脊髓的不同部位均有发现。 我们既然在第一章中未能把一种功能定位在某一特定的脑区，在这一章我们开始相反的策略:看一看特定的功能是怎样在脑中实施的。我们已看到，在所有情况下，几个脑区是并行活动的，从而使我们能与外部世界有效地进行相互作用。从每段叙述都可以清晰地看到，脑的电活动和脑的化学特性是感觉、运动和觉醒系统成功地行使功能时起关键作用的组成部分。我们还不清楚这些力量怎样被用来在脑中传递信号，进而成为我们日常功能的基础。现在是探索脑细胞到底是什么，以及它们是怎样相互传递信号的时候了。 人工智能 计算机在今天的生活中无处不在。每个人都需要使用计算机。每天至少有一次，你可能使用银行的ATM机取款，超市的UPC扫描仪和自动储物柜，汽车以及微波炉、全自动洗衣机等智能型家用电器。和我们生活相关的电脑控制系统数不胜数。个人电脑早就进入了普通家庭，越来越多的人使用电脑处理日常事务。对更好的计算机技术的要求并不仅仅停留在电脑硬件上，运行电脑程序的软件也越来越要求更直观的和周围环境以及它的使用者相联系。人工智能的研究已经提供了更好的编程技术让我们建立更聪明的计算机系统。那么，未来计算机能具有智能吗,所有科学领域的学者或者支持或者反对智能计算机这种构想。但是至今也没有一位科学家对这个问题作出令人满意的回答。毕竟，我们可以使用计算机进行大量繁杂的计算、设计，利用它完成很多甚至超过人类本身能力的工作，但这些都只是在人类的指导下，在程序的控制下进行的，机器毕竟是机器，它们不能独立思考，不能独立创造，更重要的是，它们不具备人类的情感，不能够象人类一样去爱，去感受，甚至它们自己不能控制自己的死亡。这些观点都是我们现在所能想到的，但是，就象生物学家和心理学家所坚持的观点那样，所谓的人类情感只不过是一些纯粹的生理现象。 ?M?Turing)在他1950年发表的一篇论文《计算英国天才数学家图灵(A 机器和智能》中给出了判定机器具有智能的标准。他认为如果机器能成功的伪装成人欺骗观察者，那么就认为它具有了智能。图灵试验由计算机、被测试的人和主持试验人组成。计算机和被测试的人分别在两个不同的房间里。测试过程由主持人提问，由计算机和被测试的人分别做出回答。观测者能通过电传打字机与机器和人联系(避免要求机器模拟人外貌和声音)。被测人在回答问题时尽可能表明他是一个“真正的”人，而计算机也将尽可能逼真的模仿人的思维方式和思维过程。如果试验主持人听取他们各自的答案后，分辨不清哪个是人回答的，哪个是机器回答的，则可以认为该计算机具有了智能。这个试验可能会得到大部分人的认可，但是却不能使所有的哲学家感到满意。 图灵试验虽然形象描绘了计算机智能和人类智能的模拟关系，但是图灵试验还是片面性的试验。通过试验的机器当然可以认为具有智能，但是没有通过试验的机器因为对人类了解的不充分而不能模拟人类仍然可以认为具有智能。 图灵试验还有几个值得推敲的地方，比如试验主持人提出问题的标准，在试验中没有明确给出;被测人本身所具有的智力水平，图灵试验也疏忽了;而且图灵试验仅强调试验结果，而没有反映智能所具有的思维过程。所以，图灵试验还是不能完全解决机器智能的问题。 什么是智能 Martin Fischler和Oscar Firschein (1987)阐述了三个他们称为“存在论”的哲学理论: 1(智能是一种活的生物体的非物理性质，并不能在机器中创造出来。 2(智能是有机物质的自然属性:硅并不适合成为智能的载体，因为是无机物，但是当我们学会了用有机化合物建立机器时，我们可能有机会产生出智能行为。 3(智能是正式系统的一种功能，它完全独立于任何物理系统。 存在论的第一条建立在二元论的基础上。也就是说，思维和身体两个截然不同的实体。思维能被看作人类的感觉和意识。从这种观点看来，智能是和精神联系在一起的，而精神是纯粹的哲学上的不可知。因此，除非偶然，否则智能不可能被再创造。 存在论第二条把智能作为进化的有机系统的属性。而下文将谈到人工智能科学家再计算机系统中也使用了神经元。人脑的神经网络结构几乎不能理解在硅处理器芯片中进行的再创造。但是，技术在不断进步，分子生物学家们已经开始使用DNA来处理复杂的计算问题。 Random House中定义的智能概念如下: (学习、推理和理解的能力;掌握事实、关系、真相和含义等等的自然倾1 向。 2(智力上的机敏，理解的迅速。 3(高才能的表现:他的写作充满智慧。 4(理解的能力或举动。 Fischler和Firschein已经把智能的思想分解成了智能的几种属性(1987): 1(有智力上的看法(信仰、期望和目的) 2(学习能力(有获得新知识的能力) 3(解决问题，包括把复杂的问题分解为几个简单部分的能力。 4(理解问题的能力，包括分辨出不确定和矛盾的信息的能力。 5(计划和预测预期行为的后果，包括比较和评估事物的能力。 6(知道自身知识和能力的局限性。 7(除了相似的地方之外，还要找出事物之间的区别。 8(能够原创或综合出新的概念和思想，并能够使用类推。 9(归纳总结的能力(从表面信息中找出共性)。 10(能感知和模仿外部世界。 11(理解和使用语言以及相关的符号工具。 人工智能 要给人工智能做一个类似数学、物理等自然学科那样严格的定义是很困难的事情。直到现在，人工智能的定义仍然是学术界争论不休的问题。所以，我们只能从不同的角度介绍人工智能的概念，希望读者能有一个大体的认识。 人工智能(Artificial intelligence，也称做A.I)属于计算机科学的领域，它以计算机技术为基础，试图理解和实现模拟人类智力和感觉这样的属性。人类智力的属性包括学习、适应、推理、自我纠错以及自动改进这些特点。 还有一些人工智能领域的专家给人工智能下了不同的定义，如斯坦福大学人工智能研究中心的尼尔逊教授认为“人工智能是关于知识的科学，即怎样表示知识、怎样获取知识和怎样使用知识的科学”。麻省理工学院温斯顿教授则认为“人工智能就是研究如何使计算机去做过去只有人才能做的富有智能的工作”。斯坦福大学费根鲍姆教授认为“人工智能是一个知识信息处理系统”。 对人工智能的不同观点有不同的研究目的。计算心理学使用计算机模拟研究人类的智力行为;计算哲学则试图在计算水平上形成对人类智力的理解;先进的计算机科学直到最近才试图让计算机去做仅仅人类能做的事。 在人工智能方面的研究制造了这样一个良性循环:一旦我们在人工智能方面取得了进展，我们就能更好的理解我们人类自己的智能，而我们对自身智能的进一步了解又使得我们在人工智能方面取得另一个进步。 人工智能可以分成几个学科。它们每一个都是独特的，但是常常又结合起来完成设计任务，这时这些学科之间的差别就变的很模糊。这些不同的学科包括专家系统、自然语言、模拟人类的感官能力、机器人和神经网络。 人工智能的两个主要学派 符号主义又称逻辑主义，是目前影响最大的学派。符号主义不考虑人脑的具体结构，直接从人脑的功能的宏观表现出发，用电子计算机模拟人类智能。它认为智能表现为认知，而认知的基元是符号，认知过程就是符号操作过程。知识作为信息的主要形式是构成智能的基础，所以人工智能的核心问题是知识表示、知识推理和知识运用。知识可以用符号表示，也可以用符号进行推理，因而有可能建立起基于知识的人类智能和机器智能的统一理论体系。符号主义取得很大的的成就，但是在视觉理解，语音感知、语言获取以及学习等方面暴露出自身的局限性。现行的计算机无法快速处理非数值计算的形象思维问题，无法求解那些信息不完整，具有不确定性和模糊性的问题。而且这种计算机不能应付环境的变化，不能经受内部元件损坏所造成的影响。 联接主义学派又称为仿生学派和生理学派。它认为人的思维单元是神经元，而不是符号，人的智能行为不能单纯归结为符号信息处理。所以人工智能的研究应该着重于结构模拟，模拟人的生理神经网络结构。盛感知机之后，1963年诺贝尔奖获得者艾个尔斯(J.C.Eccles,1903-)提出的“作为一种计算机的小脑:时空模式”，使对小脑的结构和功能的研究有了重大进展。70年代日本科学家提出了具有模拟人的联想记忆能力的“联想机”，后来又提出了反馈型认识机的神经网络模型，这种模型较之以前的脑模型和学习机有较大的信息加工能力。进入80年代，对神经网络的研究再次出现高潮。如1982化美国生物物理学家霍普菲尔德(J.J.Hopfield)采用全互连型神经网络模型，利用所定义的计算能量函数，成功地解决了计算复杂度为NP完全型的旅行商问题，这项突破性进展引起人们对于神经网络潜在能力的高度重视。这种脑型计算机，信息不是存贮在单元的状态中，而是存贮在网络的连接模式中。分布性、并行性以及连接性是这种计算机的主要特征。 人工智能的几个学科 一般来说，人工智能研究的内容主要包括以下几个方面;知识表示方法，问题求解。逻辑推理和定理证明，自然语言理解、自动程序设计、机器学习及人工神经网络等。 专家系统 专家系统也叫做知识基系统。它们是依赖于适用于特殊应用领域的知识规则的计算机系统。该应用领域的专家给出在某种情况下使用的简明规则。这些简明的规则和事先调整过的if-then规则相联系，用于解决问题。尤其特殊的是专家系统模仿了专家在处理故障时的思维方式。 下面是一个在一位医生和一个医学诊断专家系统之间交流的实例。 在检查病人的时候，医师可以使用一个专家诊断系统帮着诊断病人的病情，或者也可能得到另一种判断。首先，医生将把症状和专家系统联系起来:男性，10岁，体温103o，颈腺体肿胀。 如果需要更多的信息，专家系统可能让医生检查腮腺是否肿起。当收到肯定的回答时，系统可能再问几个问题，甚至在给出诊断之前还会要求给出实验报告。专家系统问医师的最后一个问题可能是病人以前是感染过腮腺炎还是对腮腺炎免疫。建立在这些信息的基础之上，专家系统将诊断出患者得的是腮腺炎。 专家系统有着广泛的应用。银行贷款部门使用专家系统决策是给出贷款还是拒绝借贷。军事上使用专家系统分析战场形式，并给出战术上的建议。专家系统被广泛的用于各种学科，包括汽车修理，医学诊断，石油探测，财政计划，化学分析，外科学，机车修理，天气预报，计算机维修，人造卫星故障排除，计算机系统配置，核工厂运行，报纸版面设计，解释政府规章，税金准备等等方面。 让我们看一下专家系统所具备的智能水平。它们能够解决问题。解决问题是它们的目的。它们为了得出结论，能把大问题分解为几个小问题。它们能够理解用户给出得信息。如果信息模棱两可或者有矛盾，专家系统会要求澄清问题或者要求给出更多的信息。专家系统能够学习。如果某个专家系统面对的是一个新问题，它将保存用户选择出来用于以后使用的和问题相关的信息和解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。 专家系统并不能象人类一样具有自我意识，但是它们是带有某种目的的智能系统。 自然语言系统 自然语言系统是能够让计算机接受、解释和执行用户用自然语言给出的指令的系统。自然语言系统建立的目的是在人类用户和计算机之间建立起更自然的联系。数据库查询就是从自然语言系统受益最多的一个领域。其他得益于自然语言系统的领域包括机器翻译，总结和搜索书籍目录的正文部分，以及分析句子结构和类型。 语言和交流有时候被认为是人类智能的基础。如果交流达到了完美的程度，那么我们也就不需错误传达的信息和让人误解的信息了。但是人类虽然擅长交流和相互影响，但是人类并不完美。训练计算机用我们的语言和我们交流也并不是一件很容易完成的工作。 简单的说，用户的一个请求通过语义分析以识别它的请求命令。请求的命令成分再根据命令同义词词典进行匹配。 下面是一个请求的例子: 让我们看一下市场部不同工作的平均薪水。单词“see(看)”将被翻译成请求命令“display(显示)”。名词“salaries(薪水)”指出了要访问的数据库领域。单词“average(平均)”指定了用于数据库薪水领域的函数。短语“by job category in the marketing department(按市场部的工作类别)”确定了用户的选择标准。显示薪水这个命令仅仅给出了市场部职员每种工作的平均薪水。计算机的响应将显示如下: 市场部 工作类别 # 职员个数 平均工资 主任 1 $71,000 助理 4 $26,000 秘书 3 $21,000 另一种形式的自然语言系统是交谈系统。当前这种形式的系统还只能进行谈话。不过，这已经是计算机和人类之间交互作用方面的大进步。下面是一位年轻的女士和一个叫做伊莱扎(ELIZA)的谈话系统之间的对话。伊莱扎扮演了一个临床医学家的角色。 女士:男人都一样吗, 伊莱扎:在哪个方面, 女士:他们总是在某些事情上让我们烦恼。 伊莱扎:你能给一个特殊的例子吗, 女士:好的，我的男朋友让我到这来。 伊莱扎:你男朋友让你到这来, 女士:他说我这段时间太沮丧了。 伊莱扎:我很遗憾听到你很沮丧的消息。 女士:真的，我不快乐。 伊莱扎:你认为到这来能帮你快乐吗, 你能看出来伊莱扎能够把握一个非常现实的谈话。谈话系统和自然语言系统运行的规则很多都是一样的。第一个阶段是解析句子并分析组分。第二个阶段是使用原本给出一个适当的回答。 自然语言和谈话系统对机器智能进化的最大贡献是人机之间的交互作用。 人类感官模拟 对人类感觉能力的模拟集中于视觉、听觉、说话和触觉。下面主要就语音识别和视觉输入系统进行介绍。 语音识别系统允许用户对计算机说话。视觉输入系统用于使计算机看见和理解它所处的环境。 理解人类语言的口语并不是没有价值的。语音的频谱跨越了20,000的范围。声音识别系统必须捕获语音信号，并把它转化为数字信号，然后解析表达式，把单词和 模板 个人简介word模板免费下载关于员工迟到处罚通告模板康奈尔office模板下载康奈尔 笔记本 模板 下载软件方案模板免费下载 词典匹配，并作出适当的响应。由于语音识别系统费用庞大，所以语音识别系统的商业应用只限于少量的命令语句。这是由于暂时的技术障碍造成的。至于自然语言，语音识别系统增加了人类和计算机之间的交流。这些系统也具有学习的能力:当旧的命令语句不能用的时候，用户可以用新的语句来编程。 一个著名语音识别系统是Sprint通讯公司生产的Sprint Voice FonCard 系统。用户能用它创建一个和说出的人名对应的电话号码数据库。一旦用户已经教给计算机人名和电话号码，只要拿起电话，输入用户的语音FonCard号码，就能给出用户呼叫对象的名字。 视觉输入系统现在还处在它的幼儿期。一个完整视觉输入系统所要求的存储空间和处理速度都有太多限制。人类视觉处理是特别复杂的。视觉输入系统的一个商业应用是装配线上的检查机器人。这种类型的机器人系统需要一个放置在装配线上的照相机用于检查有缺陷的零件。数字照相机照出的图像和数据库中的图像相比较。如果发现缺陷，系统会警告主要装配线上的计算机，让它引起人类操作员的注意，并采取适当的 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 。 机器人 机器人是计算机和自动机械的结合。机器人常被教做重复的工作。智能机器人结合了人工智能的其他一些规则。 机器人使用人类感觉模拟系统模拟触觉、视觉和听觉。现在使用的一种很有用的机器人是仓库安全机器人。这种机器人知道它们要巡逻地段的内部地图，而 且能辨别一些不正常的声响，也能搜索入侵者，还能发现火患。如果发现非正常情况，它们就会联系当局或者雇员。还有一种有用的机器人每天都会在职员们离开办公室之后收集易拉罐和垃圾。 机器人智能的基础是它的程序。机器人程序中的知识基础会指导它们当发现火灾的时候应该做什么。而且它们必须熟悉周围环境，并且能够进行自身定位。它们也必须忠实的服务于它们特殊的目的。 神经网络 神经网络是人工智能领域一个相当新的学科。神经网络是对人脑处理过程的模拟。正如Rao解释的那样，“人脑使用一种互相连接的处理单元处理信息，这种处理单元叫做神经元。” 要详细解释神经网络需要很多专业而艰深的知识，所以，我们在这里只做简单介绍。简而言之，神经网络是由相互连接的计算单元组成的系统。而其中独立的元素就是数据对象，一般指的是节点或者神经元。神经网络输入的是加权信号。每个节点只有一个建立在输入基础上的输出。输入在整个网络扩展，形成一种模式。信息作为节点之间形成的相互连接的模式被存储下来 神经网络系统的行为和传统计算机相比更加拟人化。Rosenfeld做过如下的说明，“它们能学习、遗忘，最重要的是它们能被构建成自组织系统处理信息、解决问题。” 但是，神经网络并不擅长解决简单问题。它们更擅长解决不能被简单运算规则解决的复杂问题。它们也擅长解决输入有噪声干扰的问题。 神经网络能被训练解决特殊问题，但是它们最大的用途是它们的学习能力。把一组输入数据和正确结果引进网络中，网络将形成解决方案。在这个前提下，神经网络是模式识别的主宰者。 神经网络的主要优点在于使用了神经网络能过滤噪音和进行模式识别。应用领域包括笔迹和语音识别系统，以及股票预测模式。神经网络系统也被用于诸如财政，阅读IRS(美国国税局)税务表格，防卫系统和交通管理系统。 上述提到的所有系统都是智能系统。虽然它们现在还处在发展的幼年，但是它们过去十年间所表现出来的增长的潜力是明显的。人工智能系统能意识到它们自身的存在吗,可能现在还没有。那么一只蟑螂能意识到它自身的存在吗,我不知道，但是当前的人工智能系统遵循了某些指导也克服了一些障碍，即使不比蟑螂更聪明，它也应该象地球上的早期进化成智能生物的系统一样。有人问Philip Murphy博士，“你认为智力能达到什么程度,计算机能象人类一样意识到自我的存在吗,你认为人类拥有独有的不能被再创造的智能吗,”他回答说:“一旦这些实体学会互相联系，特别是相互之间分享全部的记忆，并且意识到它们生活在一个资源有限的世界(内存空间，存储空间等等)，它们将迅速进化并争取控制它们的环境。”可能我们应该质疑我们自身的存在。可能我们的DNA仅仅是一种和计算机程序类似的数字编码。在这种情况下，计算机程序将会进行进化看起来是合理的。这些都是人类应该进行思索的问题。目前，人工智能计算机系统遇到了智能个体的属性这样的问题。它们能学习、推理、适应、解决问题，理解和使用语言，并且能感知和模拟外部世界。 由于人工智能的飞速发展，越来越多的具有智能的机器进入了人类的生活，并且在人类生活中扮演着重要的角色。智能系统开始全方位的成为人类的代理者，在人类历史上，还没有哪一个时代人类对一种机器如此依赖。 人工智能和人类生活 由于人工智能的飞速发展，越来越多的具有智能的机器进入了人类的生活，并且在人类生活中扮演着重要的角色。智能系统开始全方位的成为人类的代理者，在人类历史上，还没有哪一个时代人类对一种机器如此依赖。 机器宠物、智能电脑游戏、深海机器人、汉字识别系统、语音识别系统，这些智能机器让我们惊觉，原来智能机器离我们并不遥远。 早期人工智能用于二战中破解敌人密码。它按照运行规则运行大量程序试图模拟人类智能。现代，用这种技术创建了深蓝。但是这种技术有很多的限制，因为它不能产生真正模拟人类智能的机器。因此，一种新的人工智能技术逐渐显露出来。它建立在简单单元相互连接传播信息的复杂行为之上。例如，人的脑细胞形成的网络能进行学习和识别这种模式。这样的神经网络已经用于财政投资和帮助医生诊断癌症。 总之，人类的生活正在因为智能机器的装点而变的更加绚丽多彩，现在，就让我们看一看，究竟人工智能离我们有多远。 互动式卡通 动画片《TOM AND JERRY》的影迷们恨不得冲进电视屏幕帮着Tom抓住那只该死的小老鼠Jerry。波士顿的研究者已经帮我们实现了这个梦想，他们开发了一个交互式系统，允许观众进入卡通片的剧情，观众可以通过控制一个和屏幕中的角色类似的软玩具参与到卡通中去。 麻省理工学院的多媒体实验室已经开发了一个叫做Swamped～的卡通，在这个卡通中，有一个爱吃蛋的浣熊追赶一只瘦骨嶙峋的产蛋的母鸡。观众可以操作一个玩具鸡来控制卡通鸡。如果你认这只鸡可以飞，你可以拍打玩具鸡的翅膀。挤压它的嘴，它就会发出叫声。观众甚至可以通过转动鸡的脑袋来改变它的方向。 同时，浣熊根据鸡的运动方向也不断调整自己的方向。观众不得不和鸡休戚与共，帮着它逃脱浣熊的追踪，并保护好它的蛋。 观众控制的玩具使用了动作传感器、平衡环和磁力计感觉方向，用无线电给计算机发送欣喜。一个动作识别系统把这些数据送给“行为分析员”，以确保选中的动作适合当前的环境和角色的状态。 当然，对玩具鸡的控制并不仅限于一个操纵杆。这项技术的高明之处在于并不能预先设定情节。角色的完成完全靠自治，既然没有剧本，那么也没有人知道接下来会发生什么。可能，这一次Jerry又逃脱了呢, 手机防盗 软件 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 师已经使用人工智能技术开发了一个鉴别系统，用来监控手机用户，确保手机主人是正确的用户。 在英国每个月有多于15, 000部手机被偷。根据瑞典爱立信手机制造公司统计，对网络操作者来说，盗用手机的使用意味着2~5%的税收损失。目前，SearchSpace公司已经发现用户打电话的方式，呼叫的号码，通话的时间，以及每天拨电话的时间都带有用户自己的特征。这些“生物测定学”特征被用于监控手机用户 如果软件在某种情况下检测到不平常的活动，它就会给手机发送一个文本信息。用户则不得不输入个人密码鉴定身份。如果他们不能输入个人密码，电话就会被切断。 可以变形的机器人 设想有一种能自我设计，自我装配，甚至能自杀的机器人。这并不是“终结者2”里面才有的情节，但是这种机器人当然能改造自身以执行特殊任务，能自我软化并再循环。 科学家们已经开发了一种他们叫做多态机器人的机器，这种机器能改变自身形状来适应手头的工作。这种变形机器人能作为行星探索者，或者完成搜救任务，它们能改变自己的外形迎接每种在陌生和不可预知的环境中出现的新挑战 研究者们已经制造了一个热塑性外形的机器人，但是现在要做工作是必须找到运动的方式。机器人的原型很基本，并且没有传感器，所以它现在对外界一无所知，以后能给它安装传感器。 这个机器人被设置了一个任务，例如:“解决如何只使用一条腿和一个发动机进行移动的问题。”计算机将帮助它设计一种能最有效的迎接挑战的身体形状。目前，机器人的身体使用“快速原型”技术产生，快速原型技术是汽车工业常用的技术，这种技术的使用能快速产生复杂的三维结构。在这种技术种，一个叫做3D printer的装置使用一个喷嘴产生热塑性机器人的每一层结构，这样慢慢形成要求的形状。 尽管这个机器人能自行设计自己的形状，但是它又大又笨重，可能未来的某天我们能够生产出小型机器人，它们能部分的改变自己的身体形状，例如，改变自己胳膊的形状让它成为新环境下的新工具。 机器人所用的材料除了热塑性材料之外，还可以考虑用其他的材料，比如导体、绝缘体，甚至半导体都可以尝试。 当机器人完成任务之后，它能让自己的身体融化，然后再通过3D printer塑造成另一种形状的机器人。 人工智能在模式识别方面取得的成就 汉字识别与数字识别 手写体数字识别在邮政编码识别、银行业务等方面有重要应用，由于字体变化大，对识别率要求高，所以有较大困难。手写体数字识别使用的技术是人工智能中的神经网络技术，神经网络具有学习能力和快速并行实现的特点，可以用于解决这一问题。 相比而言，汉字的识别是更加困难的一件事。常用汉字共有6763个，分为 ，第二级包括3008个，在使用的过程中有时还可能会用到其两级，第一级3755 他的外国的字符以及特殊的符号。每个字符都对应着一个类别。即开头有变化，发生畸变或受到干扰等影响的同一字属于一类，相对于只有10个的数字而言，汉字的数量因为大于6000，而且又有印刷体和手写体之分，因此，要用计算机进行精确的分类，其困难的程度也比数字识别大多了。汉字的识别是很一个困难的模式识别问题。解决的办法，同样需要神经网络技术的支持，而且还要从不同地区搜集大量的手写体汉字作为样本集对神经网络进行训练。其运算量也是惊人的。幸运的是，现在已经有了一些印刷体汉字识别软件，如清华紫光OCR软件，就可以识别扫描图片中的汉字，虽然准确率还不是100%，但是这说明在汉字识别方面毕竟已经取得了一些进展。中科院自动化研究所汉王公司开发成功的“汉王笔”是一套在一块手写板上书写，从而把汉字输入计算机的联机手写汉字识别系统。 指纹识别 指纹图像的识别是很久之前就已经开始开发的工作，而且也已经有了一些比较成熟的产品。世界上没有两个人的指纹是一样的，就象世界上没有两片完全相 同的树叶一样，因此，指纹可以看作一个人的特征，可以用来对人进行鉴别。我们常在电视或电影中看到这样的画面，进入某个防卫森严的地方之前，需要输入自己的指纹，经过系统鉴别，这种指纹的拥有者如果是指定的人，才允许入内。这是最为严密的防卫手段。 罪犯在作案现场留下的指纹将成为重要的线索，有一些惯犯，在公安机关已有前科，他们的指纹就会存在罪犯“指纹库”中。只要把在作案现场发现的罪犯指纹和罪犯“指纹库”中的指纹相对照，如果有相同的，则可以把罪犯绳之以法。但是，罪犯也是很狡猾的，在作案时，他们为了避免留下痕迹，被公安机关抓获归案，往往也是小心翼翼，尽量不留下指纹痕迹，即使偶尔疏忽留下了指纹，也是残缺不全，模糊不清的，所以在指纹鉴定中必须有能力对这样的指纹进行鉴别，才能使坏人难逃法网。但是，这种侦破的难度还是很大的，毕竟，地球人口的数 北京大学的专家们已量如此巨大，因此计算量也是惊人的。目前，清华大学、 经研制成功用于刑事侦破的指纹识别系统，提供给有关单位，达到实用化的要求。 人工智能的过去和未来 几千年来，人类一直在探索人的本性这个问题。并且试图限定人类和动物王国的界限，希望发现人类优越于动物界的特性，或者通过美化人类的动物性而使其升华。人类一直在尝试把自己定义为特殊的物种。 人类已经创造了机器，反过来，这些新创造的机器也引起了一系列的问题，诸如，是否动物仅仅是机器的一种变化的形式，是否机器作为一种怪物，能够背叛它的创造者，能够“推翻”人类，或者把人类改造成机器。 在十七世纪的西方国家，这些问题与人类的动物性和机械性密切相关，并引发了一场关于究竟什么是所谓的动物机的大讨论。人类对自己发问:动物难道仅仅是一种机器,那么人类自身呢,是否和动物一样，也是一种人机, 例如，笛卡尔就认为动物是简单的机器，至于人类，如果撇开他们所拥有的虚无的灵魂不谈，那么也可以简单的把人类当做机器。但是，笛卡尔著名的二元论却保留了人类的唯一性。Michel de Montaigne和他的追随者持相反观点，他们断言动物比人优越，并大肆吹嘘前者的自然性。到十八世纪的时候，Julien Offray de Mettrie试图通过证明人类是机器来结束这场大辩论，他认为人和任何其他的机器没有区别。毋庸置疑，这场辩论仍然在进行。 在机器发明史上，我们很难统计究竟通过神话和实际的科学技术人类一共创造了多少个古老的自动控制机。伊卡洛斯的翅膀在历史探询的目光中消失在空气中，它们被认为只在神话中存在;那么在公元前380年，由一位中国科学家发明的自动飞行机呢,据说在空中飞行了三天。难道也是神话,事实和神话的结合是科技史上争论的焦点问题。但是人类对半神发明家的渴望也可能是得益于控制杆和传动装置实现的启迪。 中国和希腊有着特别丰富的古代自动控制的资料。印度和稍晚一点的阿拉伯也有这方面比较丰富的资料。但西方国家和他们相比则比较有限。特别应该注意的是中国在这个领域的科技先进性。Joseph Needham已经在他的不朽巨著《中国的科技与文明》中阐述了这个事实。 史前中国有记载的机械玩具数量之丰富足以引起其他国家的敬畏。除了上文提到的飞行机，还有机械鸽子、仙人、鱼和大量的龙;自动拿酒杯倒酒的机械人也很突出;以及靠水力自动开动的船，唱歌的女孩，动物和能移动的男人，这些据说都是供皇帝娱乐用的。特别值得注意的是由传说中公元前四世纪的科学家 mo ti制造的能自动移动的战车。那么，它们是实际上的手推车吗,除此之外，还提到玉制的机械人，以及各种木偶，金质佛教雕像和木偶人组成的乐队。 “人类是什么,”对自动机而言，“人类是机械师”，这可能是最明显的答案。然而，人类也是机器吗, 总结 , 遗传 , 基因 , 中心法则 , 生命的诞生 , 人类的诞生 , 脑的发展 , 人工智能 作业 , 简述孟德尔和摩尔根在生命科学方面的主要成就. , 什么是基因,什么是中心法则? , 简述劳动在人类起源的中巨大作用. , 简述人工智能主要研究领域.