科学认知进化根源分析：从黑猩猩到人类

From Chimpanzee to Human: Analysis of the Evolutionary Roots of Scientific Cognition

从黑猩猩到人类：科学认知进化根源分析

https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-031-76516-2

摘要：

本文比较了类人猿（尤其是黑猩猩）的认知过程与人类的科学认知过程。黑猩猩具备若干认知能力：它们能够对多种刺激与事件进行概括，能从次要特征中进行抽象，能形成概念，能预测未来情境，并能在心理层面规划以目标为导向的行为；它们能够使用符号并作出简单的逻辑推断；黑猩猩有能力学习聋哑人所用的中介语言并加以运用。本文分析了有关类人猿认知特性的生物学研究成果，并将其认知能力与人类对自然的科学认知过程进行比较。文中探讨了构建两类自主认知主体模型的原则，以助于理解科学认知的演化根源：（1）类人猿认知活动的模型；（2）体现科学家工作方式的模型。

关键词：黑猩猩的认知能力 · 以目标为导向行为的心理规划 · 自然科学认知的演化根源

1 引言
本文探讨与自然科学认知起源相关的问题。该问题从两个方面展开：（1）类人猿认知能力的生物学研究视角；（2）科学认知方法的分析视角。我们将聚焦于黑猩猩与人类的认知能力，并重点分析以下问题：科学认知是如何产生的？黑猩猩尚缺哪些要素，才未能开启科学认知？我们的分析将以概念性探讨为主。

需指出，已有若干研究探讨了科学认知起源的不同侧面［1–3］。例如，文献［1］在与采集–狩猎者追踪技艺相关联的背景下，分析了“科学心智”起源的问题。本文则主要关注类人猿认知能力及人类科学之演化根源的分析。尤为强调黑猩猩所具备的、最为强大的认知能力。这一路径为后续深入研究科学认知的演化根源提供了有益的方法。下文首先从生物学实验数据的描述开始。

2 关于类人猿认知能力研究的生物学数据考察

20世纪60年代，珍·古道尔（Jane Goodall）开始在坦噶尼喀湖（非洲坦桑尼亚）畔的贡贝溪野生动物保护区，对若干黑猩猩群体开展长期的自然条件观察［4, 5］。研究内容包括群体行为、个体发育、摄食行为以及黑猩猩对物体的使用。例如，研究分析了黑猩猩如何利用草叶和细小树枝制作特殊的“工具”，并用这些工具从白蚁丘中钓取白蚁。黑猩猩以树果、嫩芽、树叶和昆虫为食；偶尔也会表现出捕食行为，攻击小型动物并食肉。它们善于记忆领地范围、群体中的伙伴与对手，并在群体内部为地位优先权而争斗；有时，黑猩猩亦通过模仿更有经验的个体进行学习。

该保护区内通常存在两个黑猩猩群体，古道尔对此二群体间的互动进行了分析。

我们可从中提炼出珍·古道尔研究中所揭示的黑猩猩认知能力：对领地与觅食地点的记忆；对制作“工具”以获取白蚁和蚂蚁之方法的记忆。

需指出的是，工具制造曾一度被认为系人类独有之能力。而古道尔的观察表明，黑猩猩同样具备这一能力。有趣的是，一种更为低等的动物——新喀里多尼亚乌鸦——也被发现具有发明工具制作过程的能力：它能将笔直的金属丝弯成钩状，并用该钩子从透明圆筒中勾出装有食物的小篮子［6］。

1972—1976年间，列昂尼德·菲尔索夫（Leonid Firsov）及其同事在俄罗斯普斯科夫州的湖泊中组织了一系列黑猩猩岛居实验。每次远征仅有一小群黑猩猩（1972年为3只，后续年份为5只）及远征工作人员（9–15人）登岛。远征均安排在夏季进行。黑猩猩主要以天然食物为食（草、树叶、浆果、昆虫等），且均为年轻的“青春期”个体［7］。工作人员在岛上对黑猩猩实施各类实验任务。下文列举若干黑猩猩解决不同问题的实验案例。

在一项颇具挑战性的实验中，研究人员要求黑猩猩从一种特殊装置中取出诱饵（一罐美味的果酱）。该装置是一个透明箱体，诱饵置于箱内，箱门被强力弹簧紧紧压闭。果酱罐对黑猩猩清晰可见。为取得果酱，黑猩猩需拉动远离箱体的一个拉柄以开启箱门。问题在于：一旦动物松开拉柄，弹簧即刻回弹，箱门猛然关闭。而拉柄与箱体之间的距离较大，黑猩猩仅靠双手难以同时完成——一手握住拉柄、另一手伸入箱内取出果酱。

一只名为塔拉斯（Taras）的年轻雄性黑猩猩被带到该装置前。它首先观察透明箱体，并尝试直接用手获取果酱罐，但均告失败。稍作停顿（约一分钟）后，塔拉斯走向附近灌木丛，折下一根长约半米的干细枝，观察片刻后随即丢弃；接着，它又折下一根较粗且较长的干枝，携之返回装置旁拉柄处。随后，它开始组合两种动作：（1）通过拉柄开启箱门；（2）试图用树枝够取果酱罐。最终，塔拉斯意识到：当树枝末端插入箱门缝隙时，箱门并不会完全关闭。于是，它松开拉柄，并用树枝卡住箱门。此时它先是显得惊愕（箱门被卡住显然出乎其意料），随后谨慎地、始终未松开树枝，缓缓靠近装置，打开箱门，成功取走果酱罐。在重复实验中，塔拉斯自信且熟练地再现了这一利用树枝获取诱饵的方法。

值得注意的是，塔拉斯形成该取罐计划的过程，在某种程度上与卡尔·波普尔（Karl Popper）著名的“猜想与反驳”方法［8］具有相似性：

此处，P₁ 是初始问题，TT 是试探性理论，EE 是错误消除，P₂ 是下一个问题。

对塔拉斯而言，P₁ 是获取诱饵的初始问题。第一个试探性理论 TT 是使用树枝获取诱饵的方法。通过检验（运用 EE），塔拉斯发现此方法并不简单。因此，下一个问题 P₂ 出现了。塔拉斯通过用树枝卡住门解决了 P₂，之后他并未移除树枝，而是小心地走向装置并用手取走了果酱罐。

我们亦可说，塔拉斯经历了两次顿悟时刻。第一次顿悟发生在他无法仅凭双手使用简单技巧解决问题时，塔拉斯经过思考后，猜想到可以使用树枝。第二次顿悟发生在当他突然意识到树枝可以卡住装置的门时，他猜测这一事实可用于获取诱饵。

另一个关于黑猩猩规划非平凡行为能力的有趣例子见于文献［9］。在一个离围栏不远的实验室里，有两只年轻的雌性黑猩猩（拉达和内瓦），某位工作人员不慎遗忘了一串钥匙。黑猩猩无法直接用手够到钥匙。随后它们做了如下动作：首先，它们从一张长期置于围栏内的桌子上撕下桌边的一块木板；接着，利用这块木板制成的棍子，将窗户处的窗帘拉向自己，并撕下窗帘；然后，它们把窗帘当作套索，套住那串钥匙，缓慢而谨慎地将钥匙拉向自己。于是，黑猩猩获得了围栏锁的钥匙。由于记得人类曾用钥匙打开过围栏门，黑猩猩便用钥匙打开了锁（尽管这一操作对它们而言并非易事，因为它们的手指并不太适合完成该动作）。锁悬挂在围栏外侧。黑猩猩由此获得自由。人们后来在一间摄影暗室中发现了它们。内瓦在桌上摆弄着化学试剂，做出一种神圣仪式般的举动。她皱起眉头、嘟起嘴唇，在瓶瓶罐罐间忙碌。没人知道内瓦接下来会做什么，但就在此时，人出现了。她带着遗憾离开了自己的“工作台”。房间中央，拉达已在那里等候，身上缠绕着一长条摄影胶片。嗅闻着气味，黑猩猩们蹒跚着朝它们的围栏走去。

值得注意的是，在此案例中，黑猩猩显然在心理层面清晰地构想出了一套颇为复杂的、由多个动作依次组成的行动计划。

黑猩猩掌握聋哑人中介语言的能力广为人知［10］。它们能够习得并运用此类语言，构造简单语句，与人类、其他黑猩猩甚至计算机进行交流，并能将这些语言传授给更年幼的个体［10, 11］。

另需提及列昂尼德·克鲁申斯基（Leonid Krushinsky）所提出的定义：他将理性活动界定为“动物把握外部世界中对象与现象之间经验性规律，并在新情境中运用这些规律以构建适应性行为方案的能力”［12, 13］。克鲁申斯基所研究的“外推反射”即为一例：当某物体从不透明屏幕后出现并继续运动至屏幕后方消失时，动物可预期该物体会在屏幕另一侧再次出现；在此过程中，动物实际上运用了“运动具有特定方向与轨迹”的观念。我们可以说，动物在此运用了两条“经验性规律”：其一，物体不会无故消失；其二，若无明显原因，物体的运动不会自行终止。

珍·古道尔与列昂尼德·菲尔索夫的研究揭示了黑猩猩高度发达的认知能力：它们能够形成概念，能够预测未来事件，能够制造“工具”以获取食物；它们能通过顿悟解决相当困难的问题，也能在心理层面规划出非平凡的、具有实用价值的行为序列。这些认知能力与我们在科学认知中所运用的认知过程已相当接近。

3 科学认知的初始形式

在《科学现象》（The Phenomenon of Science）一书中，瓦连京·图钦（Valentin Turchin）从控制论的视角审视生物演化，并将科学认知的演化视为生物控制论演化的延续［14］。其中，他特别分析了古希腊时期数学的形成过程。图钦回顾了柏拉图学园（Plato’s Academy）中的证明活动以及柏拉图的“理念论”（theory of ideas）。柏拉图哲学建立在这样一种信念之上：存在一种可通过理性思维把握的绝对真理；学园高度重视数学、数学问题的求解以及证明过程。

对于数学的进一步发展而言，对已有成果进行系统综述并构建公理化理论至关重要——在公理化理论中，大量结论皆由少量基本概念与公理推导而出。正是秉承柏拉图学园的数学精神，欧几里得撰写了《几何原本》（Elements），为科学发展作出了巨大贡献。

古希腊数学的诞生具有重大意义。然而，这一切又是如何导向对自然的科学认知的呢？在《科学现象》一书中，图钦强调：16 世纪末至 17 世纪初实验物理学的兴起至关重要。此过程中，伽利略·伽利莱（Galileo Galilei）发挥了主导作用。图钦还指出，弗朗西斯·培根（Francis Bacon）［15］曾强调，在科学方法的形成中，必须将实验分析与理论分析相结合（参见《新工具》箴言 117，第 131 页）：

“我们的路径与方法……并非如经验主义者那般从结果推导结果，或从实验推导实验；而是作为自然的合法阐释者，从结果与实验出发，推导出原因与公理。”

事实上，现代科学的基础正是在彼时得以奠定。通过理论与实验方法的结合，文艺复兴时期的科学开始蓬勃发展。有趣的是，艾萨克·牛顿（Isaac Newton）的《自然哲学的数学原理》在结构上与欧几里得的《几何原本》在诸多方面颇为相似。

本节末尾，我们引述阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）关于科学研究方法论的观点（见图1）。

据爱因斯坦所述，科学过程如下［16］：

（1）E（直接经验）被给予我们；（2）A 为公理，我们从中推导出结论。从心理学角度看，A 以 E 为基础；但从逻辑上讲，并不存在从 E 通向 A 的路径，仅存在一种直觉性的（心理层面的）联系——这种联系始终仅具“暂定”效力；（3）从 A 出发，经由逻辑路径，可推导出特定的命题 S，这些命题可声称具有精确性；（4）将 S 与 E 相关联（即通过经验加以检验）。

让我们思考如下问题：黑猩猩尚缺乏哪些要素，才未能开启科学认知？

4 黑猩猩尚缺哪些要素才得以开启科学认知？

黑猩猩的认知能力相当高：它们具备形成概念、进行概括与抽象、使用数字以及预测未来事件的能力；它们能解决颇为困难的问题，其中某些解法正是通过顿悟（insight）产生的——例如前述塔拉斯在从自动闭合门装置中提取诱饵时所经历的顿悟时刻（见第2节）。而顿悟过程同样在科学问题求解中发挥着关键作用。例如，亨利·庞加莱（Henri Poincaré）曾描述自己如何构建富克斯函数（Fuchsian functions）的数学理论，并指出顿悟在发现必要解法过程中常起决定性作用［17］。有关动物与人类顿悟过程的形式化问题，可参见文献［18］。需注意的是，在爱因斯坦所提科学认知框架中（图1），公理的发现本身亦可能发生在顿悟过程中。

黑猩猩另一项重要的认知能力是对一系列动作进行心理规划（见上文第2节）。

然而，黑猩猩能否开启科学认知？数学证明的过程早在古希腊时期便已出现（见第3节）。这立即意味着书写系统的出现、定理证明知识的传递、数学知识成果的推广，以及《几何原本》这类著作的撰写。显然，黑猩猩的认知水平——即形成概念、进行概括与抽象、使用数字及预测的能力——尽管在某种程度上已略微接近数学思维能力，但距离真正的数学思维仍相去甚远。

显然，黑猩猩开启科学认知所最欠缺的，是进行数学证明的能力；而描述自身成果并将其传递给他者的能力亦至关重要——该能力以高度发展的书面语言为前提，并要求具备相互理解与审视彼此科学成果的可能性。

5 何种模型有助于理解科学认知的演化根源？

本文所提出的模型旨在对黑猩猩与人类的认知过程获得定性层面的理解；对这些模型的深入分析将留待未来研究展开。

5.1 贡贝溪野生动物保护区中黑猩猩的模型

以下原则可纳入贡贝溪野生动物保护区中黑猩猩群体间互动的基于智能体（agent-based）模型之中：

1. 存在一个特定疆域，其中两个智能体群体“生活”于其内；
2. 智能体能够区分“己方成员”与“外来者”，即本群体成员与其他群体成员；
3. 个体智能体可对另一智能体表现出亲近或威胁行为；通常而言，智能体主要威胁外群体成员；
4. 不同群体的智能体主要栖居于疆域的不同区域；例如，整个疆域被划分为两个部分，各群体分别生活于其所属区域；
5. 智能体可执行以下行为：　– 在疆域内移动（主要限于本群体所属区域）；　– 发现食物地点，并记忆此类地点的位置；　– 将食物地点信息传递给其他智能体；　– 记忆所获取食物的类型；　– 为获取特定类型食物而制作“工具”；　– 指导其他智能体制作并使用此类工具；　– 观察其他智能体的行为，并通过模仿进行学习；　– 对另一智能体发出威胁；　– 远离发出威胁的智能体；　– 守卫本群体所属区域，沿边界巡逻，并在必要时攻击其他群体的智能体。
6. 建模结果可体现为关于智能体知识水平的信息。

5.2 阐释科学家工作的自主智能体模型

莫杰斯特·温茨瓦伊格（Modest Vaintzvaig）曾分析一类自主智能体模型：此类智能体通过观察物体（例如实心球体）之间的碰撞，自主学习力学规律［19］。据温茨瓦伊格所述，对此类自主智能体的研究，其终极目标在于实现能够独立发现牛顿三大运动定律的智能体。

此外，我们还可设想一种“智能”如何演化发展，使自主智能体最终达到科学家的水平［20］：该智能体必须拥有一个知识库；必须具备获取新知识并实现知识一般化的愿望；必须具有好奇心，以此驱动其对外部世界提出问题，并通过设计实验来解答这些问题；智能体必须能考察既有知识之间的多重关联；必须存在一个共同探索外部世界的智能体群体，且群体内部存在交流机制；智能体需具备自我意识、对自身活动结果的情感性自我评估，以及在智能体社群中追求最高成就的意愿；它们应具有追求最清晰、最精确、最简洁知识（如牛顿定律或欧几里得公理）的内在驱动力；当然，智能体还必须掌握强大的逻辑推理能力，以便从定律与公理中推导出大量推论。显然，通往这一层级自主认知智能体的道路极为艰难，但其轮廓已然可见。

6 结论

综上，本文分析了与科学认知演化根源相关的研究工作，比较了类人猿的认知过程与人类的科学认知过程，并概述了珍·古道尔与列昂尼德·菲尔索夫在自然条件下对黑猩猩开展的研究［4, 5, 7］。文中特别关注黑猩猩的认知能力——它们能够求解非平凡问题；尤其指出其对连续动作序列进行心理规划的实例，并刻画了黑猩猩所展现的“顿悟”现象。需强调的是，黑猩猩所使用的认知方法往往与人类的科学认知方法相似。例如，黑猩猩塔拉斯的问题求解方式，与波普尔提出的科学问题解决图式颇为接近（见第2节）；而黑猩猩所运用的顿悟过程可被视为科学顿悟的前身（见第3、4节）［16, 17］。

本文还探讨了科学认知的初始形式，并分析了如下问题：“黑猩猩尚缺哪些要素才未能开启科学认知？”显然，黑猩猩开启科学认知所最欠缺的，是进行证明的能力——即运用数学中那类严格证明的能力；此外，它们亦严重缺乏将自身科学成果有效传达给他者的可能性。

本文亦分析了构建自主认知智能体模型的基本原则；这些模型有助于我们理解科学认知的演化根源。

原文： https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-031-76516-2