文 | 追問nextquestion01 摘要
本文提出了一種基于自由能原理（FEP）的簡約解釋，試圖從生物學理論的角度解釋早期智人（Homo erectus）的行為演化，特別是他們制作石斧的行為?！罢J知驚奇”（cognitive surprise）可能促使早期智人偶爾展現(xiàn)出非傳統(tǒng)或異常的行為，這些行為的協(xié)同演化傾向，如“蛇梯棋”游戲一樣揭示了石器時代智人某些行為的出現(xiàn)、消失及再次出現(xiàn)的模式。
當這些遺物出現(xiàn)在早期和中新世記錄中時，人類學家和考古學家通常會將它們想象成早期人類在想象中的系譜“梯子”上攀登的證據(jù)，用來解釋人類認知能力如何漸進式發(fā)展，實現(xiàn)越來越創(chuàng)新的技藝，并最終導致了智人的認知優(yōu)勢。
然而，Héctor Marín Manrique, Karl Friston和Michael Walker提出了一種不同的假設：異常個體的行為并非總是被群體所接納，群體可能無法理解或想象這些與以往不同的行為所帶來的潛在優(yōu)勢，甚至無法表達這種不同。這種理解上的失敗和偶發(fā)的種群事件，可能導致這些異常行為被忽略，從而不為后世所記。這種情況猶如在“蛇梯棋”中沿“蛇”滑落，可能會在人類行為演化的歷程中造成斷層，留下難以解釋的進化謎團。
?Manrique, Héctor Marín, Karl John Friston, and Michael John Walker. "‘Snakes and ladders’ in paleoanthropology: From cognitive surprise to skillfulness a million years ago." Physics of life reviews (2024).
02 “手斧”：考古學案例
石制“手斧”（Handaxes）是人類活動在早期和中期更新世的證據(jù)之一[1-2]，它被歸類為“雙面剝片大型切削工具”（Bifacially-flaked large cutting tools”，簡稱BFLCTs），同屬于此類的還有“薄刃斧”（Cleavers）。
?一件早期“手斧”和一件“薄刃斧”，來自西歐（以厘米為單位標度）。
這些“手斧”的縱向和橫向?qū)ΨQ性，是其普遍且顯著的特點，早在約170至160萬年前便已經(jīng)存在[3]。人們普遍認為，這種對稱性體現(xiàn)了制作者的主觀意圖，即在制作工具前，制作者就已經(jīng)對其外形進行了預設[4]。
這種預設反映了制作者在神經(jīng)生物學上的一種認知意識傾向，即他們能夠從一塊原始石塊中塑造出預想的三維形狀，如“手斧”的形狀[5-9]。舊石器時代的考古學家普遍認同，形態(tài)技術(shù)上的規(guī)律性可以在這些工具的形狀中感知到，這標志著“手斧”其他缺乏此類特征的簡單石器之間有著本質(zhì)的區(qū)別，無論這些簡單石器是否來源于“手斧”的遺址。
雖然BFLCTs代表了復雜的石制切削工具，其制作方式是通過從石塊上削去大片部分而成，但它們并非最早的切削工具。最古老的剝片石器出現(xiàn)在約340萬年前的非洲上新世晚期，其創(chuàng)造者可能是南方古猿人，而最古老的歸為人類的化石骨骼則可以追溯到280萬年前；在大約258萬年前的早期更新世開始時，我們的遠古祖先開始表現(xiàn)出合作的跡象。這些跡象之一就是他們制作的工具，這些工具通過敲打石塊制成，留下的形狀像貝殼一樣，非常適合用手抓握。
相較于BFLCTs，這些更早期的工具在制作工藝上較為簡單。更加精細的“手斧”首次出現(xiàn)在東非約176萬年前，當時直立人已經(jīng)取代了幾種早期的人科動物[10-14]。在南非，“手斧”大約出現(xiàn)在160萬年前[15]，此后“手斧”在非洲和歐亞大陸的舊石器時代記錄中都有零星出現(xiàn)，但在時間和空間上的分布并不均勻。從更晚的早期更新世開始，BFLCTs在西亞和南亞的少數(shù)幾個遺址中出現(xiàn)，時間跨度從150萬至100萬年前。也就是說，BFLCTs是由各種形態(tài)的人類在長達150多萬年的時間里持續(xù)制造的。
上面提到的300萬年前就出現(xiàn)的簡單石器，如“砍砸器”（choppers），它的考古發(fā)現(xiàn)一直延續(xù)到最近的千年。也就是說，當176萬年前，人們開始通過更精細的雙面剝片制作“手斧”時，那些更早期的更簡單的手工技術(shù)在時間和空間上仍然廣泛存在，與“手斧”的制造形成鮮明對比。后者在其首次出現(xiàn)后的一百多萬年中的記錄是間歇和稀疏的，因而它并非是正統(tǒng)的制作工藝。它們的稀少也支持了一個推論：從這些雙面剝片石器的發(fā)明到它們在舊石器時代生活中發(fā)揮重要作用之間，可能存在數(shù)十萬年的時間跨度。
?砍砸器
于是這產(chǎn)生了一系列問題。既然“手斧”的制造反映了一種明確的意圖性，那么這種認識是如何在早期人類成員中產(chǎn)生的？它可能已經(jīng)產(chǎn)生過多少次？它是否在多個時間和地點出現(xiàn)和消失？[16]我們可以認為它只產(chǎn)生過一次，之后不僅技巧性地代代相傳，而且還作為一種技能從一個社區(qū)傳遞到另一社區(qū)，在時間和空間上產(chǎn)生了深遠的影響嗎？
一些舊石器時代的考古學家和古人類學家認為這種可能性是可信的。它基于一種“進步主義”的假設，即BFLCTs為早期人類提供了功能優(yōu)勢。這些優(yōu)勢具有明顯的適應價值，有助于生存并且促進了人口的日漸增長和繁殖成功。這些技能通過使早期人類能夠廣泛利用生態(tài)區(qū)和生物群落的資源，推動了人口和地理的擴張。
但這種觀點遭到了來自許多方面的反駁。首先，“手斧”存在的時間和空間跨度極大。即使在地理區(qū)域≥500公里范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了幾個包含“手斧”的考古組合，并且這些考古年代可以歸在一個大致相似的時間段（可能≥200,000年），我們也難以斷言這一定代表了一種連續(xù)不斷、世代相傳的“文化傳統(tǒng)”。因為如果一個世代平均持續(xù)25年，那么200,000年意味著8000個世代，這對用“社會傳播”、“累積文化”和“文化歷史”的方法來解釋考古記錄的可能性（更不用說合理性）構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)。
其次，手斧的時空分布并不規(guī)律，在時間上多次呈現(xiàn)“出現(xiàn)，消失，然后又出現(xiàn)”的特征，在空間的分布上也較為零散，如果我們認為手斧的制作是文化傳播的結(jié)果，并且?guī)砹松鎯?yōu)勢，就很難解釋這種稀疏性和間歇性。有觀點認為，手斧的“社會傳播”或“文化傳播”在考古記錄中的保存并不完整，但這僅是一種補救性的解釋。最后，如果“手斧”與制作工藝更簡單的“砍砸器”并存，且后者并未顯示出顯著的優(yōu)勢，為什么“砍砸器”會被不斷制作出來呢？
本文將對此現(xiàn)象，給出一種基于自由能原理（FEP）的簡約解釋[17]。它除了可以解釋“手斧”等石器工具，也可以解釋古人類的其它技術(shù)發(fā)展。為此，我們首先引入一個很有幫助的類比——“蛇梯棋”游戲。
03 “蛇梯棋”游戲的類比
古老的“蛇梯棋”是一種適合兩個或更多玩家的桌游，棋盤如下圖。棋盤上的梯子和蛇分別連接兩個不同的方格。游戲開始時，玩家的棋子放置在起點（編號為1的方格），通過投擲骰子來決定前進的步數(shù)，若投出6點，就可以再投一次。
如果棋子停留在梯子的下端，就可以沿梯子上升至對應的上端；若停留在蛇的頭部，則須沿蛇身滑落至尾部。首先到達終點的玩家獲勝。顯然，游戲過程中，玩家的棋子經(jīng)歷多次升降，有時甚至在某些位置循環(huán)徘徊。
?蛇梯棋：https://en.wikipedia.org/wiki/Snakes_and_ladders
從“文化累積”的角度看，人類的技術(shù)和文化的發(fā)展如爬梯子一般不斷上升。但實際上，歷時兩百萬年的“人類上升”就像這個游戲一樣，并非一帆風順，也不是直線前進的?？鋸埖卣f，它幾乎可以被看作一個寓言，描述了我們在技術(shù)和文化發(fā)展過程中，以蝸牛般的速度，緩慢、猶豫、跌跌撞撞，有時甚至倒退?！笆指边@種規(guī)律性技術(shù)在時空范圍內(nèi)的不規(guī)律出現(xiàn)，也可以這樣理解。
接下來的論點將解釋為什么這種發(fā)展模式是蹣跚而斷續(xù)的。這一論點植根于自組織物理學的理論。簡單來說，遠離平衡狀態(tài)的自組織系統(tǒng)必然呈現(xiàn)一種特殊的巡游行為，這種行為在許多方面都與“蛇梯棋”游戲的特點相似[17]。
04 自由能原理、主動推理與人類進化
自由能原理（FEP）提供了一種基于統(tǒng)計物理學的非瑣碎、第一性原理的方法，來理解自組織系統(tǒng)（如生物體）是如何調(diào)節(jié)其響應以適應進化的，以及具有感知能力的生物（即能夠體驗感覺的主體）如何做出行為反應。我們特別考慮那些具有“層次機制性心智”（hierarchically mechanistic mind，簡稱HMM）的動物[18-19]。
HMM將具身、定位的大腦定義為一個復雜的自適應系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過其內(nèi)部分層組織的神經(jīng)認知機制之間的動態(tài)相互作用，產(chǎn)生感知-行動周期，主動地最小化人類感覺和身體狀態(tài)的熵（即擴散或衰減）[19]。HMM可以看作是一種神經(jīng)生物學推理機[20]，它的運行機制符合自由能原理。
自由能原理指出，所有生物都傾向于消耗與生存相兼容的最小能量。然而，可適應環(huán)境的自組織系統(tǒng)卻會通過主動推理，在感知預測之外對變化的環(huán)境進行反應，消耗更多的能量。這種試圖最小化的能量，被定義為自由能，它可以衡量對外部的感知預測與內(nèi)部信念（偏好、先驗）之間的差異?？梢院唵蔚卣J為，感知預測是根據(jù)外部接受到的信息所進行的“客觀推理”，比如走在路上遇到了下雨，我們根據(jù)對雨滴的視覺觀察、觸感做出自己會被淋濕的預測，而內(nèi)部信念的偏好則是不希望被淋濕的主觀意愿。前者與是否厭惡被淋濕無關。
生物系統(tǒng)需要盡可能減小感官預測與信念預測之間的差異。要做到這一點，除了可以通過根據(jù)外部信息修正信念，比如在上述情景中不得不接受被打濕的事實，還可以通過行動改變外部世界的狀態(tài)，也就是跑去避雨。在基于自由能原理的主動推理的框架下，生物體的認知和行為都遵循相同的規(guī)則，服務于最小化感知上的驚奇（surprise），驚奇即是一種預測誤差（prediction error）。在信息論和預測編碼的貝葉斯條件概率分析中，這種預測誤差通常被稱為“意外”或“自信息”，其計算方式是可能事件概率的負對數(shù)。
?自由能原理中，系統(tǒng)的狀態(tài)可分為四類：代表外部環(huán)境的外部狀態(tài)（external state）、智能體的觀測狀態(tài)（sensation state）、內(nèi)部狀態(tài)（internal state）以及動作狀態(tài)（action state）。
對生態(tài)系統(tǒng)中的生物而言，負自由能被視為其適應度的一種表現(xiàn)，它要求生物與生態(tài)位之間的互動達到熱力學效率的最優(yōu)化。自由能作為一種信息度量，衡量了各種結(jié)果對生物體來說的平均驚奇程度。因此，當一個生物體能夠準確模擬并預測其與生態(tài)位的交互時，我們便可以說它已經(jīng)適應了那個環(huán)境。因為它避免了與環(huán)境的驚奇交換（例如，偏離穩(wěn)態(tài)設定點），或者避免處于極低概率的狀態(tài)（例如，受傷或死亡）。
某些生物，例如人類，已經(jīng)發(fā)展出深層的生成模型，有能力預測其行為的結(jié)果。這種生物有能力設想不同行動下的“反事實未來”：簡單地說，他可以進行規(guī)劃[21-25]。因為這種生物在進行感知預測時，會將其即將執(zhí)行的行動納入考量，從而能預測各種行動的潛在結(jié)果，并據(jù)此作出行動決策，以進行主動推斷（規(guī)劃）。
這是“主動推理”的一個關鍵方面：根據(jù)最小化計劃下的預期自由能來選擇行動和計劃。更簡單地說，行動的選擇旨在最小化預期的驚奇，以避免發(fā)生低概率的不良事件（如受傷或死亡），并通過產(chǎn)生的結(jié)果減少對環(huán)境的不確定性。減少不確定性是至關重要的，因為它意味著在深層生成模型規(guī)定下的感知行為具有認識的方面，使感知行為對顯著性和新穎性保持敏感。
只有具有這種深層生成模型的系統(tǒng)才會表現(xiàn)出這種探索行為，因為它們是唯一能夠響應認知啟示并回答“如果我這樣做會發(fā)生什么？”的系統(tǒng)[26-28]。因此，驅(qū)動計劃或策略選擇的預期自由能可以分解為實用和認知部分，分別支撐實用性（exploitative）行為和探索性（exploratory）行為。
我們可以這樣理解：如果一個生物能夠嘗試預見未來行為的后果，那么在行動尚未展開之前，其心中便充滿了由想象帶來的種種可能性與驚奇。這種對未來結(jié)果的預期，促使個體試圖降低感知中的驚奇，從而增強對環(huán)境的掌控力，并更深入地理解各種行為可能帶來的后果。這便是探索性行為的動力所在。
在生物進化的大背景下，自由能最小化不僅支撐著生物的存活，還包括其成功繁衍后代的能力[29-30]。自然選擇是漸進和保守的，面對環(huán)境相互依賴性和規(guī)律性，生物的生成性自組織系統(tǒng)的完整性，是由包括“主動推理”在內(nèi)的適應性交互所支持的。這種“主動推理”與由生成模型所引發(fā)的，以及由進化所賦予的先驗期望密切相關[31-33]。主動推理實例化了一個生成模型，其組成部分是大腦中能夠預測接下來最有可能感知的神經(jīng)網(wǎng)絡。在條件概率的貝葉斯統(tǒng)計中，進化和自然選擇可以被視為自然的“貝葉斯模型選擇”（也稱為“結(jié)構(gòu)學習”[34]）。
因此，進化在生物、技術(shù)，甚至是在心理社會層面上逐漸且間歇性地發(fā)展[35-37]。自由能原理與生物學，特別是神經(jīng)生物學相關，無論是在細胞動力學、神經(jīng)回路和行為的個體發(fā)育層面，還是在通過生物適應和適應性的自然選擇進化的種群的系統(tǒng)發(fā)育層面。
05 “認知驚喜”與“蛇梯圖”
現(xiàn)在，讓我們利用前文的觀點來解讀與“手斧”相關的考古發(fā)現(xiàn)。在討論這一主題時，我們或許不應過分強調(diào)“群體大小”在推動“手斧”制作技術(shù)社會傳播方面的作用，反而應更多地關注個體層面。即，是什么激發(fā)了制作者對制造石制“手斧”可能性的認知意識？以及觀察者（其它同伴或者制作者本身）對這種創(chuàng)新做法的反應又是如何？
在傳統(tǒng)工具作為主流的環(huán)境下，個體耗費更多時間和精力制作精細的、步驟更繁復的“手斧”，需要一種探索性的傾向，意識到采用不同的方式制作可能產(chǎn)生什么結(jié)果（如我們在文中第一部分所見，“手斧”的形態(tài)反映了制作者對形狀的預先設想），或者認識到新技術(shù)的產(chǎn)物可能帶來更長遠的實用性價值，也即減小后續(xù)能量消耗的潛在可能。這些都需要個體具備更深層次的生成模型。
于是我們可以這樣認為，在“手斧”存在的時空跨度中，各種古人類群體的整體認知能力，并未達到能夠認識到“手斧”的創(chuàng)新性和長遠價值的水平[38-39]。然而，偶爾也會有個別個體可以擁有更具表達性（即更深層次）的生成模型，洞察這種探索（認知）和利用（實用）價值，于是在偶然的情況下發(fā)展出了這些更復雜的工藝。但是，群體中的其他個體（有時包括這些異常個體自身）往往未能意識到同伴這種創(chuàng)新行為的特殊之處，并未產(chǎn)生“認知驚奇”[40]。
對于旁觀者來說，這種行為與他們的行為模式庫中的典型活動不吻合，因為典型活動是基于他們實用的先驗知識，而這種有利的先驗的規(guī)范性信念往往會壓倒對新認知的探索。這就導致了這些新的創(chuàng)造并未被群體所接受，創(chuàng)造者的“技藝”被視為浪費了群體為維持生存所需的（不可調(diào)和的）寶貴能量和時間。
值得注意的是，在維持基礎穩(wěn)態(tài)時，我們的大腦在休息狀態(tài)下每公斤消耗11.2瓦特的能量，而整個身體僅消耗1.25瓦特/公斤，耗費了我們50%的葡萄糖攝入量和20%的氧氣攝入量，其中75-80%的能量用于支持腦神經(jīng)元的活動[41]。
因此，直立人一百萬年前的活動必須滿足更大的日常能量需求，否則我們今天就不會存在。這種情況下，經(jīng)過驗證的例行公事成了生活的主導，那些能高效執(zhí)行這些任務的人贏得了群體的信任，而那些古怪、非正統(tǒng)或異質(zhì)的行為則被置于不聞不問之中，未能在集體的記憶或傳說中留下痕跡。此外，在我們的遠古祖先制作石器時，他們通過敲擊大石塊來打造工具，過程中偶爾會敲出一些奇特的形狀。這些形狀其實是意外產(chǎn)生的，當時的人們可能并沒有意識到這些偶然形成的石塊也可以用作工具[42-43]，盡管考古學家從比較形態(tài)學的角度將它們分類為工具。
?Vadim Sherbakov
總的來說，我們認為，在早期和中期更新世時期，那些異常的、異質(zhì)的行為活動在人類成員中遭遇的命運就是這樣起起落落。在技術(shù)能力“梯子”上看似達到的個人成就，很可能被同伴忽視，他們無法想象或表達這些行為可能帶來的生存優(yōu)勢。并且，彼時的人類缺乏足夠流暢的溝通能力，再加上各種人口事故，異質(zhì)行為的記錄往往會丟失。即使這些技術(shù)在某些小型的狩獵采集群體中被記住，它們也可能因人口的波動而在滅絕時消失。
那個時期的人類交流十分有限，即便存在語言溝通也相當原始；加之該時期人類壽命較短，生物成熟期早于現(xiàn)在，腦容量也有限（這些小型大腦只有我們今天大腦大小的三分之二），這在任何情況下都限制了小型成人腦中神經(jīng)生物學的靈活性，進而影響了深層次的認知能力*。
論文原文第四部分著重討論了直立人與現(xiàn)代人在細節(jié)上的大腦差異，由于與文章的整體邏輯無關，僅作為佐證，在這里不再贅述。
除此之外，群體還面臨各種各樣滅絕的風險，如不平等的性別比例、分娩時的死亡或先天性殘疾、感染、牙齒脫落，或由于瘟疫、枯萎、干旱、洪水、野火、霜凍、暴風雪或其他暴力氣候事件造成的食物或水稀缺。這些因素共同作用，導致異常行為結(jié)果難以在種群中穩(wěn)定傳承。
最后一個問題是，如果這些分布在各個地點以及各個時間的“手斧”是由不同的個體獨立制作的，那么它們的形態(tài)為何會具有一定的相似性呢？比如橫向和縱向的對稱性等。
對此，我們或許可以理解為，自組織的本質(zhì)具有內(nèi)在的周期性、隨機性以及最小化自由能的傾向，這使得系統(tǒng)總會反復探索巨大狀態(tài)空間中的某些特定狀態(tài)，從而導致深層的生成模型在偏好上呈現(xiàn)某種相似性（比如對對稱性的意識，顯然，對稱在認知上是更加簡潔的，符合最小化的原則）。同時，原料的局限性、生理結(jié)構(gòu)（比如便于抓握）等也限制了制作的形態(tài)。這使得各地出土的不同時間制作的“手斧”等工具可以在獨立制作的情況下具有某種形態(tài)上的相似性，這種相似除巧合外也有一定進化的必然性，并不一定是文化傳播的結(jié)果。
總而言之，在審視“手斧”技術(shù)的演變過程中，我們發(fā)現(xiàn)了技術(shù)發(fā)展的不規(guī)則性和周期性，這種現(xiàn)象并非人類特有的歷史劇本，而是一種普遍存在于生物系統(tǒng)中的自組織行為。自由能原理為我們提供了一個理解這種現(xiàn)象的有力工具。
技術(shù)的每次“跳躍”或“滑落”都可能是對外部環(huán)境變化的一種適應性回應，其中既包括物理環(huán)境的變化，也包括社會、經(jīng)濟和文化背景的轉(zhuǎn)變。在全球化和快速信息流動的當代社會，人類技術(shù)和文化的發(fā)展可能呈現(xiàn)出更加復雜的動態(tài)變化。
正因如此，我們更應促進開放的創(chuàng)新體系，允許“非傳統(tǒng)”思維的存在和發(fā)展。通過這樣的開放與合作，可以最大限度地減少技術(shù)進步中的“驚奇”元素，促進一個更為穩(wěn)定和可持續(xù)的技術(shù)和文化發(fā)展環(huán)境。
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