動物與數(shù)字：動物的數(shù)能力是天賦還是演化

安德里亞斯·奈德

如果沒有數(shù)字，人類的日常生活會是什么樣？很難想象。那么動物世界呢？

過去幾十年的研究發(fā)現(xiàn)，動物和人一樣有“數(shù)感”，會在生活中運(yùn)用數(shù)的概念;這種數(shù)能力并不建立在語言能力基礎(chǔ)上，它甚至可以追溯到現(xiàn)代人類進(jìn)化出來之前的生命體。

因為數(shù)能力是一項生存技能，對動物的生息繁衍有重要意義。這也是為什么多種動物都具有這個能力。

不少對動物生存環(huán)境的研究顯示，數(shù)能力可以強(qiáng)化動物的多種生存能力，包括覓食、狩獵、躲避天敵、熟悉環(huán)境，導(dǎo)航巡游和社交聯(lián)絡(luò)。

群體力量

在進(jìn)化出具備算數(shù)能力的生物之前，地球上最古老的生命體 — 單細(xì)胞微生物 — 已經(jīng)在處理數(shù)字信息了。細(xì)菌的生存方式是從周圍環(huán)境中吸收養(yǎng)分、分裂、繁衍，一個變二個，二個變四個……

最近幾年，微生物學(xué)家又有新發(fā)現(xiàn) — 這些單細(xì)胞細(xì)菌居然有社交活動，能夠感覺到旁邊是否有其他細(xì)菌。換句話說，它們能感覺到細(xì)菌的數(shù)量。比如，生活在海洋中的費(fèi)氏弧菌，可以通過一種生物發(fā)光機(jī)制產(chǎn)生光亮，原理類似于螢火蟲發(fā)光。

海洋費(fèi)氏弧菌在稀釋過的溶液中基本上獨(dú)處的狀況下（菌體密度極低）不會發(fā)光。但當(dāng)菌體密度達(dá)到一定程度時，所有細(xì)菌都同時發(fā)光。由此可見，費(fèi)氏弧菌可以分辨自己什么時候落單、什么時候跟集體在一起。它們是通過一種化學(xué)語言做到這一點的。

費(fèi)氏弧菌會分泌一種通信分子，當(dāng)這種分子在水里的濃度達(dá)到一定程度時，即達(dá)到一定程度的菌群規(guī)模時，費(fèi)氏弧菌會把周圍有多少同伴這個信息傳遞給其他菌，于是大家便一起發(fā)光。細(xì)菌的這個行為叫群聚感應(yīng)（QS），即細(xì)菌用信息傳遞分子“投票”，當(dāng)票數(shù)達(dá)到一定程度（群聚）時，所有的細(xì)菌都產(chǎn)生反應(yīng)。這個行為不是費(fèi)氏弧菌的獨(dú)特之處。所有的細(xì)菌都會通過群聚感應(yīng)機(jī)制，利用信息傳遞分子間接地傳遞細(xì)胞數(shù)量信息。

螞蟻和蜜蜂

令人驚訝的是，群聚感應(yīng)也不是細(xì)菌的專利——動物也會用到它。日本切葉蟻就是一個很好的例子：它們一旦感覺到出現(xiàn)群聚，便會集體遷移到新的地方。

在這種達(dá)成共識的決策過程中，蟻們只有在目標(biāo)地點的切葉蟻數(shù)量多到一定程度時才會傾巢而出，集體遷徙。它們認(rèn)為在這種情況下遷移蟻巢才是安全的。數(shù)字認(rèn)知能力對動物的導(dǎo)航和高效率的覓食計劃和路線的制定也至關(guān)重要。2008年，生物學(xué)家瑪麗·達(dá)克和曼迪亞姆·斯利尼瓦桑在完全控制狀態(tài)下完成了一項高雅的實驗，發(fā)現(xiàn)蜜蜂能夠估計在通向食物源的飛行通道里有幾個地標(biāo)，即使在空間布局改變后也一樣。

蜜蜂依靠地標(biāo)數(shù)量來測量蜂巢到食物源之間的距離。因此，判斷數(shù)字對它們的生存至關(guān)重要。說到覓食策略最優(yōu)化問題，通常都會選擇“多多為善”，似乎不言自明;但有的時候，反其道而行卻更好。

田鼠喜歡吃活螞蟻，但螞蟻不好惹，還挺危險，因為它們受到威脅時會咬攻擊者。把一只田鼠跟兩群螞蟻放在同一個空間，一群螞蟻數(shù)量多，一群數(shù)量少，田鼠會去攻擊哪一個？數(shù)量少的那個！在一項實驗中，鼠們可以在5只和15只、5只和30只、10只和30只螞蟻之間選擇，每次它們都會選數(shù)字較小的那一個蟻群。它們之所以如此選擇，似乎是為了覓食過程更舒適，避免經(jīng)常挨螞蟻咬。

數(shù)字很重要

集體獵食的時候，數(shù)的概念起到重要的提示作用。參加圍獵的狼的數(shù)量決定了成功獵到麋鹿或野牛的概率。

狼經(jīng)常會獵食大型動物，比如麋鹿和野牛，但大型動物斷然不會束手就擒，會踢咬廝打，把狼殺死。因此，圍獵不同的動物時狼群的最佳數(shù)目也不同。對于麋鹿，二匹到六匹狼就足夠了，而野牛則比較難對付，如果9匹到13匹狼參加狩獵就有成功的把握。

所以，對狼群而言，狩獵時確實有“數(shù)字力量”這么一說，但取決于獵物的兇猛程度。那些基本上沒什么自衛(wèi)能力的動物往往會集體行動，這個現(xiàn)象揭示的“數(shù)字力量生存策略”毋需多言。但扎堆群聚不是防御天敵的唯一與數(shù)字能力相關(guān)的策略。

歌聲暗號

2005年，美國華盛頓大學(xué)一個生物學(xué)家團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，歐洲的黑頂山雀有一種令人吃驚的發(fā)警報的本事，提醒同伴附近有危險。

和許多動物一樣，黑頂山雀感覺到近旁有敵情或危險的時候會發(fā)向同伴發(fā)出警告含義的鳴叫。如果是靜止的天敵，黑頂山雀的警告鳴叫聲是這樣的：奇-卡-蒂。

研究人員發(fā)現(xiàn)，這個呼叫最后那個“蒂”音節(jié)的數(shù)量，傳遞了危險程度的信息。比如，“奇-卡-蒂-蒂”，兩個“蒂”音節(jié)，意思可能是說附近有一只不那么危險的烏林鸮。這種灰色貓頭鷹體型較大，行動笨拙，在叢林中沒法追捕小巧靈活的黑頂山雀，所以它們不危險。相反，體型小巧的鵂鹠在樹林里來去自如，追捕黑頂山雀輕而易舉，所以是最危險的天敵。黑頂山雀看到鵂鹠時，警報鳴叫尾音的“蒂”就多好幾個，變成“奇-卡-蒂-蒂-蒂-蒂”。顯然，這是一種基于數(shù)字的防敵策略。

分辨眾寡

在某種資源需要嚴(yán)加守護(hù)的情況下，獸群的數(shù)量和獸群的大小很重要;評估敵我雙方群體成員數(shù)量對比顯然具有適者生存的價值。

若干種類的哺乳動物在自然界闖蕩時有一個共同的發(fā)現(xiàn)，那就是在資源爭奪戰(zhàn)里，數(shù)量多寡決定勝敗。蘇塞克斯大學(xué)動物學(xué)家凱倫·麥考姆曾經(jīng)跟同事們做過一項很前沿的實驗，研究坦桑尼亞塞倫蓋蒂國家公園的母獅子在面臨入侵的外來者時的本能反應(yīng)。

研究報告探討了聽到擴(kuò)音器里播放模擬入侵者來犯的音響時野生動物的反應(yīng)。如果聲音聽上去像是一頭外族獅子來犯，母獅子會氣勢洶洶地沖向擴(kuò)音器，把它當(dāng)作敵人。研究小組在塞倫蓋蒂國家公園一群母獅子的地盤上給它們播放外族母獅子進(jìn)犯時發(fā)出的吼叫聲。他們分別放了兩種模擬音響：一頭陌生的母獅子的吼聲，以及3頭母獅子的集體吼叫聲。實驗的目的是設(shè)法確定來犯者與守衛(wèi)者的數(shù)量對比是否會影響守衛(wèi)者的戰(zhàn)略。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)一只母獅子很不情愿去迎戰(zhàn)一名或3名入侵者。而3名守衛(wèi)者在一起的時候，會十分果斷地沖向一名來犯者（模擬音響中的模擬敵人），但對于3名來犯者卻顯得猶豫躑躅。顯然，跟3個入侵者廝拼有受傷的危險，對它們起到了警示作用。只有在自己地盤上有5名或更多同伴時，它們才會迎戰(zhàn)（模擬音響中的）3名入侵者。換句話說，母獅子們只有在己方占據(jù)了數(shù)量優(yōu)勢的情況下才會正面對抗來犯者;這清楚表明動物具備運(yùn)用量化信息決定行動的能力。

軍事戰(zhàn)略

動物王國里的人類近親大猩猩，同樣有明顯的行為特點。美國哈佛大學(xué)的邁克爾·威爾遜和同事們做了類似的實驗，用模擬音響測試黑猩猩的反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)它們的表現(xiàn)就像軍事戰(zhàn)略家。它們似乎不假思索地運(yùn)用了軍隊計算敵我雙方力量對比的運(yùn)算方程式。具體而言，黑猩猩們遵循了軍事理論中的蘭切斯特平方律作戰(zhàn)模型所給出的預(yù)測。這個模型預(yù)測，當(dāng)雙方都有眾多兵力投入戰(zhàn)斗時，一方只有在自己的兵力至少是對方兵力的1.5倍時才愿意投入戰(zhàn)斗。而這正是那些作為實驗對象的野生黑猩猩的反應(yīng)。

保持生命，從生物學(xué)角度來說，是達(dá)到目的的手段，而目的是基因的遺傳。黃粉蟲的繁殖方式很說明問題：許多雄性與許多雌性甲殼蟲交配，競爭十分激烈。其結(jié)果是，一只雄性黃粉蟲會不斷向越來越多的雌蟲求偶，這樣才能使它的交配機(jī)會最大化。

交配之后，雄性還會守在雌性身邊，防止它跟其他雄性交配;而且，獨(dú)霸配偶的時間跟雄性在交配前遇到的競爭對手?jǐn)?shù)量有關(guān)，打敗的對手越多，事后的獨(dú)霸時間越長。顯然，這種行為在黃粉蟲的繁衍中起到重要作用，因此具有很高的適應(yīng)值。估計數(shù)量的能力提高了雄性黃粉蟲在性事上的競爭力。這有可能成為整個自然界演化過程中推動更復(fù)雜的數(shù)量估算認(rèn)知能力發(fā)展的主要動力。

精子賽跑

如果你以為成功交配就是勝利，那就錯了。對于某些動物來說，真相比這復(fù)雜得多——最后的獎勵屬于使卵子成功授精的那一個。交配中雄性完成了自己的任務(wù)，精子的競賽才剛開始;它們要爭取成為最先抵達(dá)卵子使它授精的那一個。

生殖在生物學(xué)中占據(jù)至高無上的地位，精子的賽跑也引發(fā)了動物行為層面的諸多適應(yīng)性變化。無論是昆蟲還是脊椎動物，雄性估算競爭強(qiáng)度的能力決定了精液的多少和成分。比如擬蝎目中的長臂天牛，多個雄性與一個雌性交尾是常態(tài)。

顯然，第一個交尾的雄性的精子完成授精的幾率最高，而之后所有雄性當(dāng)她孩子的父親的機(jī)會越來越渺茫。不過，精子的產(chǎn)生是個耗費(fèi)很大的過程，因此精子的分配是經(jīng)過權(quán)衡的，會根據(jù)授精幾率來決定精液中精子的數(shù)量。

雄蝎子通過嗅聞判斷雌蝎子跟幾個競爭對手交配過，根據(jù)嗅覺提示，隨著之前已經(jīng)跟“她”交尾的對手?jǐn)?shù)量從0增至3，“他”的精子分配數(shù)量會相應(yīng)遞減。

工于心計

有些鳥類具有一套瞞天過海、把養(yǎng)育后代的責(zé)任巧妙轉(zhuǎn)嫁給其他同類的本事。畢竟，孵蛋和養(yǎng)育是一件辛苦的事，讓其他鳥代勞最好。

這些鳥稱為巢寄生，就是把蛋下在其他鳥的巢窩里，從孵蛋到喂食全部由宿主代勞。倒霉的宿主自然不高興，會設(shè)法避免受到這種盤剝欺詐。一種防御策略就是計數(shù)，比如美洲骨頂雞會把自己生的蛋偷偷放到鄰居的巢里，祈愿鄰居犯糊涂，把別家的蛋當(dāng)成自己的，一起孵了。而鄰居也不傻，會設(shè)法避免受這種剝削。野生美洲骨頂雞生態(tài)環(huán)境研究發(fā)現(xiàn)，潛在的宿主能數(shù)清自己下了幾只蛋，然后對額外的那些巢寄生鳥蛋置之不理。

北美有一種體型嬌小的鳴禽，特別擅長巢寄生，叫褐頭牛鸝。這種鸝鳥工于心計。鳥媽媽會到各種不同的宿主鳥巢里下蛋，小如戴菊鶯，大到草地鷚，不挑剔。但是，這些被選中的宿主如果要保證自己的后代能正常面世健康成長，必須有智慧。褐頭牛鸝的蛋生下來，孵蛋需要12天，時間很精確;如果只孵了11天，小鳥就孵不出來，這只蛋就廢了。所以，褐頭牛鸝挑選的宿主鳥巢的孵蛋時間從11天到16天不等，平均12天。這些宿主鳥媽媽通常一天產(chǎn)一枚蛋，一旦有一天沒有下蛋，鳥媽媽就開始孵蛋。這意味著小鳥開始在殼里發(fā)育。

這個信息對褐頂牛鸝很重要，因為它不但需要找對宿主，還需要確定宿主下蛋的準(zhǔn)確時間，這樣才能恰準(zhǔn)自己生在宿主巢里的蛋能夠得到12天的孵化。如果褐頭牛鸝在宿主巢里下蛋時間早了，可能會被主人發(fā)現(xiàn)有假，被毀掉。如果下蛋時間太晚，孵化時間不夠長，小鳥也無法出世。

鳥中的惡棍

美國賓夕法尼亞大學(xué)的戴維·懷特和格雷斯·弗利德-布朗曾做過實驗，結(jié)果顯示褐頭牛鸝雌鳥會密切監(jiān)測宿主鳥媽媽的窩，這樣可以讓巢寄生過程與宿主的孵蛋時間同步。

褐頭牛鸝確定宿主巢窩之后，會關(guān)注窩中的蛋比它第一次來增加了多少。如果持續(xù)增多，說明宿主還在下蛋過程中，孵化程序尚未開始。另外，褐頭牛鸝還會留意哪些連日來每天增多一枚蛋的巢窩出現(xiàn)了空檔。比如，褐頭牛鸝第一次到宿主鳥巢時看到一枚蛋，第三天再來時看到3枚蛋，于是就會在那里產(chǎn)一枚自己的蛋。如果最后一次去查看發(fā)現(xiàn)窩里增加的鳥蛋數(shù)量少于最近兩次查看間隔的天數(shù)，它就知道孵化過程已經(jīng)開始，在這個窩里下蛋已經(jīng)沒有意義，沾不到便宜，借不到光了。

這道數(shù)學(xué)題是不是很復(fù)雜？褐頭牛鸝媽媽為了轉(zhuǎn)嫁重任，需要連續(xù)幾天不間斷地查訪不同的鳥巢，記住窩里鳥蛋的數(shù)量變化，估算兩次查訪期間宿主鳥下蛋的數(shù)量，算天數(shù)，最后計算出哪天在哪個鳥巢生蛋。

這就大功告成了？且慢。褐頭牛鸝媽媽還有一套后續(xù)增強(qiáng)行動——在宿主巢窩里下了蛋之后會留在近旁守護(hù)、監(jiān)督。為了保證自己的后代能順利孵化破殼而出，它們的行為就像黑幫惡棍。如果褐頭牛鸝發(fā)現(xiàn)她下的蛋在宿主的窩里被毀了，或者不見了，就會報復(fù)，把宿主的蛋啄破，或者用嘴叼出鳥窩扔到地上砸碎。所以，宿主必須把褐頭牛鸝的蛋像親生的一樣孵化哺育，否則后果很嚴(yán)重。

從適者生存角度講，宿主鳥爸爸鳥媽媽也應(yīng)該爭取當(dāng)好褐頭牛鸝寶寶的養(yǎng)父母。

生存繁衍

物競天擇。為了基因的延續(xù)傳承，許多動物的演化程度令人嘆為觀止，褐頭牛鸝就是一個絕好的例子。在適者生存的壓力下，無論是迫于環(huán)境還是其他動物的威脅，無數(shù)動物種群在進(jìn)化過程中保持或增強(qiáng)了特定基因?qū)е碌倪m應(yīng)能力。如果數(shù)的認(rèn)知和運(yùn)用本能有助于生存和繁衍，那就一定會得到保留和發(fā)揚(yáng)，始終受到倚重。

動物王國的數(shù)能力如此普及，原因就在這里：數(shù)字本能或者說能力在漫長歲月里不斷進(jìn)化，是因為曾經(jīng)有某個共同的祖先發(fā)現(xiàn)了它，于是在演化中代代相傳，后世所有的分支都繼承了這個基因;也可能是不同物種的各個分支不約而同地發(fā)現(xiàn)了數(shù)字的奧妙。無論可以追根溯源到什么年代什么物種，數(shù)能力可以肯定是一種適應(yīng)特征。

（摘自英國廣播公司新聞網(wǎng)）（編輯/克珂）