動(dòng)物與數(shù)字：動(dòng)物的數(shù)能力是天賦還是演化

安德里亞斯·奈德

如果沒(méi)有數(shù)字，人類(lèi)的日常生活會(huì)是什么樣？很難想象。那么動(dòng)物世界呢？

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

因?yàn)閿?shù)能力是一項(xiàng)生存技能，對(duì)動(dòng)物的生息繁衍有重要意義。這也是為什么多種動(dòng)物都具有這個(gè)能力。

不少對(duì)動(dòng)物生存環(huán)境的研究顯示，數(shù)能力可以強(qiáng)化動(dòng)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?chē)h(huán)境中吸收養(yǎng)分、分裂、繁衍，一個(gè)變二個(gè)，二個(gè)變四個(gè)……

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(dòng)，能夠感覺(jué)到旁邊是否有其他細(xì)菌。換句話說(shuō)，它們能感覺(jué)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(guò)一種生物發(fā)光機(jī)制產(chǎn)生光亮，原理類(lèi)似于螢火蟲(chóng)發(fā)光。

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

費(fèi)氏弧菌會(huì)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(shí)，即達(dá)到一定程度的菌群規(guī)模時(shí)，費(fèi)氏弧菌會(huì)把周?chē)卸嗌偻檫@個(gè)信息傳遞給其他菌，于是大家便一起發(fā)光。細(xì)菌的這個(gè)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(shí)，所有的細(xì)菌都產(chǎn)生反應(yīng)。這個(gè)行為不是費(fèi)氏弧菌的獨(dú)特之處。所有的細(xì)菌都會(huì)通過(guò)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——?jiǎng)游镆矔?huì)用到它。日本切葉蟻就是一個(gè)很好的例子：它們一旦感覺(jué)到出現(xiàn)群聚，便會(huì)集體遷移到新的地方。

在這種達(dá)成共識(shí)的決策過(guò)程中，蟻們只有在目標(biāo)地點(diǎn)的切葉蟻數(shù)量多到一定程度時(shí)才會(huì)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(duì)動(dòng)物的導(dǎo)航和高效率的覓食計(jì)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(xiàng)高雅的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)蜜蜂能夠估計(jì)在通向食物源的飛行通道里有幾個(gè)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(lái)測(cè)量蜂巢到食物源之間的距離。因此，判斷數(shù)字對(duì)它們的生存至關(guān)重要。說(shuō)到覓食策略最優(yōu)化問(wèn)題，通常都會(huì)選擇“多多為善”，似乎不言自明;但有的時(shí)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(xiǎn)，因?yàn)樗鼈兪艿酵{時(shí)會(huì)咬攻擊者。把一只田鼠跟兩群螞蟻放在同一個(gè)空間，一群螞蟻數(shù)量多，一群數(shù)量少，田鼠會(huì)去攻擊哪一個(gè)？數(shù)量少的那個(gè)！在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)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(huì)選數(shù)字較小的那一個(gè)蟻群。它們之所以如此選擇，似乎是為了覓食過(guò)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(shí)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(huì)獵食大型動(dòng)物，比如麋鹿和野牛，但大型動(dòng)物斷然不會(huì)束手就擒，會(huì)踢咬廝打，把狼殺死。因此，圍獵不同的動(dòng)物時(shí)狼群的最佳數(shù)目也不同。對(duì)于麋鹿，二匹到六匹狼就足夠了，而野牛則比較難對(duì)付，如果9匹到13匹狼參加狩獵就有成功的把握。

所以，對(duì)狼群而言，狩獵時(shí)確實(shí)有“數(shù)字力量”這么一說(shuō)，但取決于獵物的兇猛程度。那些基本上沒(méi)什么自衛(wèi)能力的動(dòng)物往往會(huì)集體行動(dòng)，這個(gè)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(hào)

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

和許多動(dòng)物一樣，黑頂山雀感覺(jué)到近旁有敵情或危險(xiǎn)的時(shí)候會(huì)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(gè)呼叫最后那個(gè)“蒂”音節(jié)的數(shù)量，傳遞了危險(xiǎn)程度的信息。比如，“奇-卡-蒂-蒂”，兩個(gè)“蒂”音節(jié)，意思可能是說(shuō)附近有一只不那么危險(xiǎn)的烏林鸮。這種灰色貓頭鷹體型較大，行動(dòng)笨拙，在叢林中沒(méi)法追捕小巧靈活的黑頂山雀，所以它們不危險(xiǎn)。相反，體型小巧的鵂鹠在樹(shù)林里來(lái)去自如，追捕黑頂山雀輕而易舉，所以是最危險(xiǎn)的天敵。黑頂山雀看到鵂鹠時(shí)，警報(bào)鳴叫尾音的“蒂”就多好幾個(gè)，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(píng)估敵我雙方群體成員數(shù)量對(duì)比顯然具有適者生存的價(jià)值。

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

研究報(bào)告探討了聽(tīng)到擴(kuò)音器里播放模擬入侵者來(lái)犯的音響時(shí)野生動(dòng)物的反應(yīng)。如果聲音聽(tīng)上去像是一頭外族獅子來(lái)犯，母獅子會(huì)氣勢(shì)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(guó)家公園一群母獅子的地盤(pán)上給它們播放外族母獅子進(jìn)犯時(shí)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(shí)驗(yàn)的目的是設(shè)法確定來(lái)犯者與守衛(wèi)者的數(shù)量對(duì)比是否會(huì)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(shí)候，會(huì)十分果斷地沖向一名來(lái)犯者（模擬音響中的模擬敵人），但對(duì)于3名來(lái)犯者卻顯得猶豫躑躅。顯然，跟3個(gè)入侵者廝拼有受傷的危險(xiǎn)，對(duì)它們起到了警示作用。只有在自己地盤(pán)上有5名或更多同伴時(shí)，它們才會(huì)迎戰(zhàn)（模擬音響中的）3名入侵者。換句話說(shuō)，母獅子們只有在己方占據(jù)了數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì)的情況下才會(huì)正面對(duì)抗來(lái)犯者;這清楚表明動(dòng)物具備運(yùn)用量化信息決定行動(dòng)的能力。

軍事戰(zhàn)略

動(dòng)物王國(guó)里的人類(lèi)近親大猩猩，同樣有明顯的行為特點(diǎn)。美國(guó)哈佛大學(xué)的邁克爾·威爾遜和同事們做了類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)，用模擬音響測(cè)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(duì)計(jì)算敵我雙方力量對(duì)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(cè)。這個(gè)模型預(yù)測(cè)，當(dāng)雙方都有眾多兵力投入戰(zhàn)斗時(shí)，一方只有在自己的兵力至少是對(duì)方兵力的1.5倍時(shí)才愿意投入戰(zhàn)斗。而這正是那些作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象的野生黑猩猩的反應(yīng)。

保持生命，從生物學(xué)角度來(lái)說(shuō)，是達(dá)到目的的手段，而目的是基因的遺傳。黃粉蟲(chóng)的繁殖方式很說(shuō)明問(wèn)題：許多雄性與許多雌性甲殼蟲(chóng)交配，競(jìng)爭(zhēng)十分激烈。其結(jié)果是，一只雄性黃粉蟲(chóng)會(huì)不斷向越來(lái)越多的雌蟲(chóng)求偶，這樣才能使它的交配機(jī)會(huì)最大化。

交配之后，雄性還會(huì)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(shí)間跟雄性在交配前遇到的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手?jǐn)?shù)量有關(guān)，打敗的對(duì)手越多，事后的獨(dú)霸時(shí)間越長(zhǎng)。顯然，這種行為在黃粉蟲(chóng)的繁衍中起到重要作用，因此具有很高的適應(yīng)值。估計(jì)數(shù)量的能力提高了雄性黃粉蟲(chóng)在性事上的競(jìng)爭(zhēng)力。這有可能成為整個(gè)自然界演化過(guò)程中推動(dòng)更復(fù)雜的數(shù)量估算認(rèn)知能力發(fā)展的主要?jiǎng)恿Α?/p>

精子賽跑

如果你以為成功交配就是勝利，那就錯(cuò)了。對(duì)于某些動(dòng)物來(lái)說(shuō)，真相比這復(fù)雜得多——最后的獎(jiǎng)勵(lì)屬于使卵子成功授精的那一個(gè)。交配中雄性完成了自己的任務(wù)，精子的競(jìng)賽才剛開(kāi)始;它們要爭(zhēng)取成為最先抵達(dá)卵子使它授精的那一個(gè)。

生殖在生物學(xué)中占據(jù)至高無(wú)上的地位，精子的賽跑也引發(fā)了動(dòng)物行為層面的諸多適應(yīng)性變化。無(wú)論是昆蟲(chóng)還是脊椎動(dòng)物，雄性估算競(jìng)爭(zhēng)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(zhǎng)臂天牛，多個(gè)雄性與一個(gè)雌性交尾是常態(tài)。

顯然，第一個(gè)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(huì)越來(lái)越渺茫。不過(guò)，精子的產(chǎn)生是個(gè)耗費(fèi)很大的過(guò)程，因此精子的分配是經(jīng)過(guò)權(quán)衡的，會(huì)根據(jù)授精幾率來(lái)決定精液中精子的數(shù)量。

雄蝎子通過(guò)嗅聞判斷雌蝎子跟幾個(gè)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手交配過(guò)，根據(jù)嗅覺(jué)提示，隨著之前已經(jīng)跟“她”交尾的對(duì)手?jǐn)?shù)量從0增至3，“他”的精子分配數(shù)量會(huì)相應(yīng)遞減。

工于心計(jì)

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

這些鳥(niǎo)稱為巢寄生，就是把蛋下在其他鳥(niǎo)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(huì)設(shè)法避免受到這種盤(pán)剝欺詐。一種防御策略就是計(jì)數(shù)，比如美洲骨頂雞會(huì)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(huì)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(duì)額外的那些巢寄生鳥(niǎo)蛋置之不理。

北美有一種體型嬌小的鳴禽，特別擅長(zhǎng)巢寄生，叫褐頭牛鸝。這種鸝鳥(niǎo)工于心計(jì)。鳥(niǎo)媽媽會(huì)到各種不同的宿主鳥(niǎo)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(zhǎng)，必須有智慧。褐頭牛鸝的蛋生下來(lái)，孵蛋需要12天，時(shí)間很精確;如果只孵了11天，小鳥(niǎo)就孵不出來(lái)，這只蛋就廢了。所以，褐頭牛鸝挑選的宿主鳥(niǎo)巢的孵蛋時(shí)間從11天到16天不等，平均12天。這些宿主鳥(niǎo)媽媽通常一天產(chǎn)一枚蛋，一旦有一天沒(méi)有下蛋，鳥(niǎo)媽媽就開(kāi)始孵蛋。這意味著小鳥(niǎo)開(kāi)始在殼里發(fā)育。

這個(gè)信息對(duì)褐頂牛鸝很重要，因?yàn)樗坏枰覍?duì)宿主，還需要確定宿主下蛋的準(zhǔn)確時(shí)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(shí)間早了，可能會(huì)被主人發(fā)現(xiàn)有假，被毀掉。如果下蛋時(shí)間太晚，孵化時(shí)間不夠長(zhǎng)，小鳥(niǎo)也無(wú)法出世。

鳥(niǎo)中的惡棍

美國(guó)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(guò)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示褐頭牛鸝雌鳥(niǎo)會(huì)密切監(jiān)測(cè)宿主鳥(niǎo)媽媽的窩，這樣可以讓巢寄生過(guò)程與宿主的孵蛋時(shí)間同步。

褐頭牛鸝確定宿主巢窩之后，會(huì)關(guān)注窩中的蛋比它第一次來(lái)增加了多少。如果持續(xù)增多，說(shuō)明宿主還在下蛋過(guò)程中，孵化程序尚未開(kāi)始。另外，褐頭牛鸝還會(huì)留意哪些連日來(lái)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(niǎo)巢時(shí)看到一枚蛋，第三天再來(lái)時(shí)看到3枚蛋，于是就會(huì)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(niǎo)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(guò)程已經(jīng)開(kāi)始，在這個(gè)窩里下蛋已經(jīng)沒(méi)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(niǎo)巢，記住窩里鳥(niǎo)蛋的數(shù)量變化，估算兩次查訪期間宿主鳥(niǎo)下蛋的數(shù)量，算天數(shù)，最后計(jì)算出哪天在哪個(gè)鳥(niǎo)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(dòng)——在宿主巢窩里下了蛋之后會(huì)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(jiàn)了，就會(huì)報(bào)復(fù)，把宿主的蛋啄破，或者用嘴叼出鳥(niǎo)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?chē)?yán)重。

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

生存繁衍

物競(jìng)天擇。為了基因的延續(xù)傳承，許多動(dòng)物的演化程度令人嘆為觀止，褐頭牛鸝就是一個(gè)絕好的例子。在適者生存的壓力下，無(wú)論是迫于環(huán)境還是其他動(dòng)物的威脅，無(wú)數(shù)動(dòng)物種群在進(jìn)化過(guò)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(huì)得到保留和發(fā)揚(yáng)，始終受到倚重。

動(dòng)物王國(guó)的數(shù)能力如此普及，原因就在這里：數(shù)字本能或者說(shuō)能力在漫長(zhǎng)歲月里不斷進(jìn)化，是因?yàn)樵?jīng)有某個(gè)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(gè)基因;也可能是不同物種的各個(gè)分支不約而同地發(fā)現(xiàn)了數(shù)字的奧妙。無(wú)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(guó)廣播公司新聞網(wǎng)）（編輯/克珂）