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语言演化的生命科学探索

来源:科学杂志
摘要:人类一直好奇:为何唯独我们这个物种才有语言。为何语言有现在这样的形式。语言是如何变成现在这个样子的。但是,由于缺乏必要的科学研究手段,很多当时提出的语言演化理论都缺乏足够的实证基础。...

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        人类一直好奇:为何唯独我们这个物种才有语言?为何语言有现在这样的形式?语言是如何变成现在这个样子的?历史上,西方和中国的思想家与哲学家,如苏格拉底、柏拉图、荀子、陆九渊等,都曾经讨论过这些问题。进入19世纪,达尔文在其1859年的《物种起源》和1871年的《人类的由来》两本书中,从进化论的角度对这些问题进行了全面阐述。但是,由于缺乏必要的科学研究手段,很多当时提出的语言演化理论都缺乏足够的实证基础。有鉴于此,19世纪颇具影响力的巴黎语言学学会在1866年明文禁止了一切涉及语言起源和演化的研究及讨论。这一禁令把语言演化研究推入了长达一个世纪的“冰河期”。直到20世纪中叶,对语言演化的探索才逐步复兴,这主要归因于更加丰富的自然语言语料和众多学科上的技术突破,使得从不同学科与不同角度全面研究语言及其演化成为可能。目前,语言演化已成为现代科学中认识人类本质的重要一环。

  面对纷繁的语言演化研究,本文着重介绍从生命科学角度探索语言演化的一些前沿研究。这一角度涵盖了动物行为学、脑科学和遗传学,它们和语言学有着密切的关系。由基因承载的遗传信息构建了人类的脑神经回路,这些回路决定了人类的语言能力与行为;而类似的能力与行为在某些非人动物中也有不同程度的体现。结合这些学科来研究语言演化,会更好地认识人类和语言的本质。

动物行为学:语言能力的原始形式

  动物行为学研究主要比较人和其他动物的认知与交流行为。例如,通过野外及实验室内的观察和实验,这一领域的学者们研究了很多灵长类动物的叫声系统,如报警叫声和觅食叫声。这些叫声能够传达诸如不同天敌或不同类型食物的具体意思,且存在组合特性,比如通过组合已有叫声来表达新的意思,还能达到意图共享的目的,就是使同类做出预期的动作,像躲避天敌或找寻相应的食物。以大白鼻长尾猴为例[1],其叫声系统一般由两种警报叫声组成,分别针对鹰和猎豹这两种天敌。当听到第一种警报叫声时,猴子们会迅速地从树枝上下到地面,而当听到第二种警报叫声时,它们会从地面迅速地爬到树上。有意思的是,当这些猴子不能明确是哪种天敌时,他们会把这两种警报叫声按特定次序组合起来发出。此时,听到叫声的猴子们会从一棵树迅速转移到另一棵树上。这种组合叫声传递了一个迁徙信息,猴子们能够正确理解它,并作出不同于前面两种动作的行为。由此可见,上述叫声系统已经具备了一些类似于语言交流系统的特性,尽管其使用的信号、传递的信息和涉及的语法等方面的操作都非常有限。

  除叫声系统外,该领域的学者们还关注动物处理语法结构的能力,以探索某些语法结构是否为语言所特有,其学习能力是否也为人类所特有。目前,这类研究多涉及两种典型结构:(AB)n的线性结构和AnBn的层级递归结构。这里,A和B分别对应于几个同类型的信号。乔姆斯基(N. Chomsky)的语法体系认为,AnBn结构属于短语结构语法,是语言所特有的,而处理这种递归结构的能力也是人类所特有的。动物行为实验也表明,某些物种如绢毛猴,在分别熟悉了具有这两种结构的叫声序列之后,并不能正确区分具有AnBn结构的叫声。然而也有些实验发现,有的物种如八哥,在经过强化训练后,可以正确区分具有这两种结构的鸟声序列。当然,语言学家也指出,不能明确地知道八哥是如何处理AnBn结构的;不清楚它是按照递归结构来处理,还是通过判断A与B类鸟声的次数是否一致来处理。假如结果是后者,此实验还不足以证明八哥具有处理递归结构的能力。

  通过把动物放入人类的文化环境中,研究动物行为的学者们还考察了被捕获的黑猩猩和倭猩猩使用手语和词符(lexigram)与人类进行交流的能力。这些猩猩尽管叫声非常有限,却能够熟练运用手语和词符来表达很多的想法和意思,并能进行一些简单的交流,如通过指示引起共同注意等。除灵长类以外,通过对名为Alex的灰鹦鹉进行研究,学者们发现,这样一个人类的“远亲”能够与人类训练者进行言语交流,掌握颜色、形状和质地等简单概念以及相对复杂的关系;并能进行二阶逻辑关系比较,明白交流中的不同角色。此项研究颠覆了认为只有人类才具备这些高级智力的观点。

  以上研究表明,很多非人动物,包括鸣禽和灵长类等,都具有语义、语用和句法方面的语言能力的原始形式,如情景记忆能力、掌握简单概念和抽象关系的能力、进行指示和其他简单交流的能力。与人类对应的能力相比,非人动物拥有这些能力的程度非常低。但是,这些能力是人类语言能力的“种子”,为语言在人类中的出现打下了基础。同时也要看到,动物心智与人类心智在一些方面大不相同。只有人类能够归纳和创造无限的词汇、概念和事物,随意组合不同领域的知识和想法,记录真实和想象的经验,并能考虑所见所闻和所感的事物。其他动物在这些方面的局限阻碍了它们产生语言,而语言在人类中的出现极大地强化了人类在这些方面的表现。由此看来,语言和人类认知能力的发展有着紧密的、共同演化的关系。

脑科学:语言行为的神经机制   语言行为是由人脑中的神经回路决定的。脑科学研究发现了很多种语言处理能力的神经基础。这其中一个有趣的发现是猴子脑中的镜像神经元。这些位于猴脑额叶和顶叶的神经元,在猴子做抓食物的动作或者看到其他猴子及人类实验员进行类似动作时,都会被激活,并被插入猴脑的电极所检测[2]。一系列跟进实验表明,这些神经元可以帮助猴子模仿动作并理解其目的和意图。比如,尽管猴子没有看到具体的食物,但当它听到一些与处理食物有关的声响时,如撬开食物外壳的声音,它们的镜像神经元也会激活。虽然不能像对待猴子那样,直接把电极插到人脑中去探测神经元的反应,但通过脑功能成像技术,脑科学研究仍然获得了一些人脑中可能含有类似的镜像神经元的间接证据。比如,当人观察和模仿食指和中指的一些活动时,人脑额叶的布罗卡区(言语运动区)和顶叶的一些区域都有明显的神经活动。人脑的这些区域与猴脑的区域在解剖结构上存在对应关系。

  这些发现启发脑科学家和语言学家提出了存在一个镜像神经系统(mirror neuron system)的观点。此观点支持“手势起源说”的语言起源理论。这个理论认为,人类语言起源于手势,镜像神经元帮助人们了解手势的目的意义并加以模仿,从而使通过手势进行交流成为可能。然后在某些因素的作用下,语言逐步由手势形式变化为声音形式。但是另一些学者对此观点提出了质疑。比如一些学者认为,镜像神经元只是建立了单纯的、巴甫洛夫式的条件反射;还有些学者也认为镜像神经元只是关联学习的副产品,而不是对行为理解的适应性产物。由此可见,还需要进一步的研究来探明镜像神经元与语言演化的关系。

  脑科学中的脑成像技术提供了一个观察人类行为的新角度。这些技术可记录人在特定语言任务中的神经表现,并由此揭示语言处理行为的神经机制。例如,脑电图(EEG)技术通过置于头皮上的电极阵列来记录语言或一般认知任务中特定时间段内的大脑反应,以确定这些反应的时域顺序,并推测其在脑中的来源。通过比较处理正常语言例子和处理有语义或语法不相容例子的脑电图,脑科学研究发现了很多不同类型的事件相关电位(ERP),它们反映了脑的不同区域在不同时域上处理语音、语义和语法等的神经活动。例如,在“John’s brothers like themselves”(约翰的兄弟们喜欢他们自己)这个句子中,反身代词themselves(他们自己)和先行词John’s brothers(约翰的兄弟们)是匹配的,而在“John’s brothers like himself”(约翰的兄弟们喜欢他自己)中,反身代词 himself (他自己)与先行词是不匹配的。比较被试者看到这两类含有一致和不一致反身代词句子的脑电图可以发现,当受试者看到不匹配的反身代词后约600毫秒左右,其脑电图上的电位会比看到匹配的反身代词时更加正向,此电位称P600[3]。因为判断反身代词是否一致属于句法范畴,这个事件相关电位反映了人脑对句法的加工处理。类似地,通过其他例句,还发现受试者在看到不匹配的反身代词大约400毫秒后,发生事件相关电位的负向变化,即N400。此外还有涉及语言方面其他处理的事件相关电位。

  除脑电图外,功能性磁共振成像(fMRI)技术通过监测由于脑区神经活动导致的血氧水平变化,来确定负责某些语言或认知能力的脑区。基于此项技术的研究发现,人类大脑的布罗卡区、前扣带皮层和其他额叶区域都对语言处理有重要作用。此外,通过比较语言处理和其他认知行为的脑区反应,发现一些原来被认为是专门处理语言的脑区,如布罗卡区和韦尼克区(言语听觉区),也负责一些非语言活动,如处理音乐及协调视觉和手动,而且言语的神经基础和其他非语言活动的神经基础也有重合的部分。

  这些研究启发人们重新考虑人类语言的独特性,并重新认识语言与非语言行为的关联。语言与其他认知行为一样,是一种全脑功能,需要多脑区共同协调,而且这些脑区也可能负责一些非语言行为。

遗传学:语言机能的遗传基础   遗传学关心人类生理构造和行为的基因基础。通过比较正常和疾病个体,遗传学研究发现了很多由于人类染色体上的基因缺陷或基因冲突所导致的遗传疾病。例如,7号常染色体上的基因缺失会导致威廉姆斯综合症(WMS),而具有额外1条21号染色体会导致唐氏综合症(DNS)。除某些表征如面部或心血管结构与正常人不同外,这些患者的脑结构也异于常人。例如,这些患者的脑容量通常小于正常人。威廉姆斯综合症患者大脑的顶叶区、连接左右脑半球的胼胝体和脑干都小于正常人,但其处理声音信息的脑区和小脑都比正常人大。此外,这些患者在处理局部和全局信息上有明显的障碍。例如,让威廉姆斯综合症和唐氏综合症患者绘制自行车,威廉姆斯综合症患者能够准确记录局部信息,但忽视全局信息,他们画的自行车虽然各部件很准确,但部件间的布局却一塌糊涂。而唐氏综合症患者则只记录了全局信息,而忽略了局部信息,他们画的自行车整体上看像是一辆自行车,但其部件比例完全失调。

  更有趣的是,尽管认知能力有缺陷,威廉姆斯综合症患者的语言能力,尤其在词汇方面,相比唐氏综合症患者更加正常,并且无异于同龄正常人。这一发现好像提示存在一个独立于其他认知能力的语言模块。但是,事实并非如此。进一步的语言学研究发现,7~8个月大的正常儿童主要依赖语调来区分英文词汇,到了10~12个月,他们开始利用音节或音素的同时出现来区分词汇。相比之下,年龄更大(15~48个月)的威廉姆斯综合症儿童仍然停留在使用语调区分词汇的阶段上。换句话说,威廉姆斯综合症儿童早期言语理解能力的发展有严重的滞后。此外在词汇方面,威廉姆斯综合症病童的表现虽然优于唐氏综合症病童,但与正常儿童相比,他们只在接受性词汇测试(如从一组图片中选出与听到或看到的词相匹配的图片)中表现优异,在其他词汇测试上的表现并不算突出。在语法方面,威廉姆斯综合症病童使用语言和相关语法表达空间信息的能力也有明显的缺陷。综合这些研究,没有证据表明威廉姆斯综合症患者在句法、语态、音系和语用方面都优于正常人,他们用语言表达空间信息的障碍与其对空间信息的认知障碍相对应,这种对应恰恰反映了语言能力并不独立于其他认知能力[4]。

  遗传学研究与语言演化最直接相关的成果要数FOXP2基因,此基因是通过对伦敦某个KE家族成员的分析而发现的。与正常人相比,这个家族的很多成员含有变异的FOXP2基因,并表现出很多语言障碍[5]。例如,这些受影响的成员不能很好地控制口腔周围的肌肉,以至于无法清晰地表达言语。同时,他们也不能清楚地分辨言语,在句子理解和根据句法组织词汇方面也有障碍,而且不能正确判断一个句子是否符合语法规则。相关的脑科学研究也发现,受影响成员在某些语言任务中所激活的脑区,相比正常成员,要分散、杂乱得多:除了左半脑,很多右半脑的区域也被激活,而很多与语言处理相关的脑区,如布罗卡区等,反倒没有被激活。这也反映了他们在语言任务中的障碍。

  除人类外,其他高等哺乳动物,如灵长类、啮齿类和鸟类,也有不同版本的FOXP2基因。通过比较人类、灵长类和啮齿类动物中FOXP2基因的序列,分子遗传学家发现,从啮齿类到人类,FOXP2基因所编码的氨基酸序列经历了4个变化,而其中的2个发生在人类与黑猩猩分化以后,即大约12万~20万年前。这种短期的密集变化反映了对FOXP2基因的强烈选择[6]。考虑到语言在人类历史上也是最近出现的,而且FOXP2基因受损与语言障碍有密切关联,很多遗传学家认为FOXP2基因是专为语言而被选择的。另一项研究也发现,把人的FOXP2基因克隆到小鼠上,相比于正常小鼠,这些“人类化的”小鼠据说会更加频繁地发出吱吱叫声。除了遗传学家,一些语言学家也认为人的FOXP2基因是独特的,它决定了记录和发展语言官能的基因机制。基于这些结果,一些遗传学家和语言学家给FOXP2基因冠上了“语言基因”的美名。  

  然而,通过全面比较受影响的和正常的成员,及受影响成员和其他有类似障碍的失语症患者的语言和认知能力,研究者发现,相比于正常成员和失语症患者,受影响成员在编码测试(coding test)中的表现最为糟糕。此项测试要求受试者记忆由已给音节按照某种顺序组成的几个音节串,这些音节串可以是具有语义的词汇,也可以没有任何意义。在此测试中的表现反映了排序能力的高低,而且此能力并不局限于语言任务。受影响成员在此能力上的障碍直接导致了他们在言语和非言语上的表现失调。最新的脑科学研究也发现,相比于正常成员,受影响成员脑中与言语和运动处理有关的脑区,如布罗卡区、尾状核、感觉运动皮层和小脑,都含有较小体积的灰质。也就是说,这些区域中的神经元数量较少,或者它们的体积较小,从而影响了它们的排序能力。此外,对雀类FOXP2基因的研究发现,此基因可影响这些鸣禽对鸟声序列的掌握和协调。一旦其FOXP2基因发生变异,这些雀鸟便无法正常地习得鸟声。同时,对小鼠FOXP2基因的研究也发现,一旦其FOXP2基因发生变异,小鼠脑基底核神经元的神经突触会失去可塑性。这一脑区主要负责运动学习,所以小鼠的运动学习能力也相应地受损。这些证据表明,受影响成员的语言障碍主要是由运动学习和排序能力的发展失调所致。这种观点不认为FOXP2基因是专为语言而存在,它对语言和其他认知能力都有影响。所以,KE家族成员因为FOXP2基因变异而出现的语言失调,不足以支持存在一个被遗传编码的语言官能。换言之,FOXP2基因并不是“语言基因”。

  上述研究有系统地探讨了语言行为在人与非人动物中的表现、语言行为和其他认知行为在人脑中的神经基础,以及基因对语言和其他认知行为的作用。从中可以看出,与语言相关的能力是逐步演化而来的,很多语言处理能力并非人类所独有;与语言处理有关的神经回路也负责其他一些认知行为,语言处理行为所激活的脑区与某些认知行为所激活的脑区有重合部分,人脑中并不存在只服务于语言的独特区域或者模块;人类的基因型与认知和语言行为的关联是间接的,不能简单地归为某个基因或基因序列与一组认知能力的关联。

  除了这些结论,还可以体会到,当前的科学研究通常是跨学科的,因为单一学科有其局限性。在动物行为学方面,我们需要其他的模型来进一步研究,那些语言的“种子”如何在人类中发展和用于语言处理上。在脑科学方面,目前的脑功能成像技术还有一些局限,比如脑电图技术不能在空间上精确定位所测到的电信号的来源,而功能性磁共振成像技术不能在时域上精确定位不同脑区的激活顺序,所以还不能全面了解语言行为背后脑神经回路的运作和各脑区的协调。在遗传学方面,由于缺乏足够的、具有特定语言障碍的个体,目前还不能全面分析基因对语言和认知行为的作用。考虑到这些,未来关于语言演化的研究只能是跨学科的。这样一个跨学科角度可以利用不同学科的知识与发现,协调表面上相互抵触的观点,提供新的研究角度,并剔除那些仅在单一学科构架下合理的解释。只有这样,才能对所研究的现象获得一个全面的认识。可以预见,跨学科研究将是未来语言演化研究的必由之路。

  

[1] Arnold K, Zuberb  hler K. Language evolution: semantic combinations in primate calls. Nature, 2006,441:303.

[2] Rizzolatti G, et al. Mirrors in the mind. Scientific American, 2006,295:54-61.

[3] Harris T, et al. An ERP investigation of binding and coreference. Brain and Language, 2000,75:313-346.

[4] Brock J. Language  abilities  in  Williams  syndrome: a  critical  review. Development and Psychopathology, 2007,19(1):97-127.

[5] Vargha-Khadem F, et al. Praxic and nonverbal cognitive deficits in a large family with a genetically transmitted speech and language disorder. PNAS, 2007,92:930-933.

[6] Enard W, et al. Molecular evolution of FOXP2, a gene involved in speech and language. Nature, 2002,418:869-872.

作者: 2012-2-16
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