人类从动物中脱颖而出的关键是什么？把字刻在石头上 | 包云岗

和计算所同事们一起给北京一所中学开设了一门关于计算思维的选修课，面向初一的同学们。在第一堂课上，我向同学们提了一个类似的问题：“鲨鱼已经在地球上生活了4.5亿年，为何没有进化得像人这么聪明？”这些初一的同学们知识面很广，回答很富有启发性，有的回答说“人类祖先是鱼类，鲨鱼不如人类是因为一直在水中没上岸”，有的回答说“因为鲨鱼处于食物链顶端，已没有进化的需求（躺平了）”。

给初一的同学们上计算思维的课（2022年9月）

关于恐龙和鲨鱼为何未能进化出类似的人类智慧与人类文明，可以从很多个角度来分析，下面我来提供一个来自信息维度的回答——因为恐龙和鲨鱼始终未能发展出人类所拥有的一整套抽象信息运用能力（以下简称信息能力），即信息表达能力、信息存储能力、信息传播能力和信息处理能力。

在此，先对四种抽象信息运用能力进行简要定义（更详细的解读可以参考第七节）：信息表达能力：将抽象信息用某种方式（动作、声音、符号、文字等）表达出来并被理解的能力。信息存储能力：将抽象信息以某种方式存储到大脑以外的某种媒介上的能力。信息传播能力：将抽象信息在一个群体中扩散并被理解的能力。信息处理能力：将抽象信息进行运算、提炼、关联等操作形成新抽象信息的能力。

任何一种信息能力的缺失都将导致智慧进化受阻，从而无法发展出人类水平的文明。这篇文章将尝试分析论证以下两个观点：（1）动物具备了一定的信息表达、传播和处理能力，但缺失信息存储能力；（2）是否具备信息存储能力是区分一个物种能否进化出先进文明的关键，而人类具备信息存储能力。

人类强大的抽象信息运用能力

一、动物具备信息表达、传播和处理能力

信息表达能力并不是人类所特有的，很多动物都具备这种能力，甚至有些看上去并不那么聪明的动物也能发展出相当复杂的信息表达能力。蜜蜂就可以通过舞蹈来表达一些抽象信息，比如用舞蹈的S弯数量及时间来表达采食点的距离，用舞蹈的S弯径向延长线与太阳的角度来表达采食点的方位。事实上，很多动物都具备类似蜜蜂的信息表达能力，或是用肢体动作来表达，或是用声音来表达。

蜜蜂具有表达抽象信息的能力

信息传播能力是许多动物都掌握的一种生存能力。尤其是群居动物，它们很擅长在一个群体中表达和传播哪里有食物、哪里有天敌等信息。信息传播能力与信息表达能力息息相关，出色的表达能力有助于发展出更强的传播能力。蚂蚁的信息表达和传播能力是很多科研人员特别好奇的研究问题。虽然单个蚂蚁的行为比较简单，但是一个蚁群整体却能通过信息传播体现出一些智能的行为，例如可以在不同的环境下，找出到达食物源的最短路径。

蚁群能通过信息交换寻找最短路径

动物都具备一定的信息处理能力，该能力和信息表达、传播能力如影相随，因为要处理的信息除了动物自身感知，很多时候是来自同伴所表达和传播的。约翰·博伊德（John Boyd）用Observe (感知)、Orient (调整)、Decide (决策)、Act (执行) 四个步骤（即OODA环）来刻画具有智能的行为，人类和动物的行为都可以用OODA来刻画。这个过程需要感知和接受信息，并根据信息进行调整和做出决策，最终付诸于行动，整个过程中离不开大脑的信息处理能力。此外，很多证据表明，有些动物甚至还能进行更抽象信息的处理，比如数数、算术等。

二、但动物不具备信息存储能力

虽然动物具备一定的信息表达、传播和处理能力，但是很遗憾都未能掌握信息存储能力。因此，当大脑中的抽象信息以某一个肢体动或是某一种声音表达出来后，只能存在很短的时间，无法持久保存下去。查阅一些公开的资料，目前还没有找到动物能像新石器时代的人类那样把抽象信息主动刻在地面、洞壁等外部媒介的证据。

信息存储能力的缺失，意味着即使像蜜蜂这样拥有出色的信息表达能力，虽然能通过复杂的舞蹈来表示采食点的距离以及与太阳的角度，但随着舞蹈结束，这份信息也便消逝。信息存储能力的缺失，一方面，会导致信息传播能力有限——不管是通过动作模仿还是口口相传，能传播的信息量是有限的，传播的时间窗口是有限的，传播的空间范围也是有限的，而且信息的精准度还会在传播过程中不断降低；另一方面，会影响一个物种的信息表达和处理能力的提升，因为信息只能保存在大脑中，即使群体中出现一个聪明的个体产生了新知识、改进形成了信息表达和处理的新方法，这些新知识和新方法也不易传播出去。有人可能会说DNA是存储信息的一种载体。DNA确实存储了可遗传的动物基因信息，但对于动物来说，这是一种被动的信息存储能力，因为动物根本无法主动决定存储什么信息，也无法主动从DNA中读取信息。

三、旧石器时代的人类也不具备信息存储能力，且信息能力进化缓慢

现代人类的信息表达能力要远比动物强得多，会用非常丰富的手段来表达各种抽象信息，甚至发明了文字和各种符号系统来表达抽象信息。但是两百万年前，处于旧石器时代早期的古人类，和许多动物相比，在信息能力方面并无特别过人之处，同样也不具备信息存储能力，距离形成先进文明还有很大的距离。

（上）人类进化史；（下）旧石器时代晚期出现原始信仰与原始艺术（摄于国家博物馆）

在旧石器时代早期和中期，人类的信息表达、传播和处理能力演进很是缓慢，也始终未能进化出信息存储能力。正如前所述，信息存储能力的缺失，会导致信息传播能力有限，也影响其他信息能力的提升。直到旧石器时代晚期，人类的信息表达能力才开始有显著提高，从而出现原始信仰和原始艺术的萌芽，但在表达方式上还是采用穿孔的兽牙和兽角这种比较原始的方式。文字、符号系统这些高级的抽象信息表达能力还要等到最近一万年人类进入新石器时代后才发展出来。

距今3万年的山顶洞人用穿孔兽牙做的项链，表达一种审美观（摄于国家博物馆）

四、旧石器时代人类进化的最大收获：大脑容量增长，信息处理“算力”提升

虽然人类在两百万年的旧石器时代中信息能力并未有显著提升，但大脑容量却在此期间从500毫升增长到了1500毫升，进化出了一个超强的大脑，这在人类进化史上意义重大。对比其他灵长类动物，就会发现人类大脑的进化是一个奇迹——七百万年前大猩猩的脑容量也有500毫升，而今天依然还是500毫升。

人类大脑容量进化奇迹

今天的信息处理则离不开计算机、离不开算力，动物和人类处理信息则都离不开大脑，因此大脑容量的增长可以认为人类处理信息的“算力”得到了大幅提升，为人类进入新石器时代后信息能力跨越式提升奠定了“算力”基础，进而创造出先进的人类文明。为何产生人类大脑进化奇迹？很多专家认为是因为人类在旧石器时代掌握了石器和火的使用：石器等工具的使用大大提高了捕猎的效率；火的使用让人类可以食用更易消化和吸收的熟食，提高了营养的摄入效率，从而加速大脑的进化。科学家从基因变异角度也给出了解释，比如ASPM基因突变让人类大脑褶皱更精细、ARHGAP11B基因让人类大脑容量变大、EPHA7基因可能让人类大脑进化出了更为精细的转录调控网络等等。这些基因的变异和外部环境相关，也许是人类大迁徙过程中接触到更多的外部刺激，也许是长期食用用火烧烤后的食物引起了基因突变，也许还有其他原因。这些内容超出本文范围，在此就不再赘述。

五、人类获得信息存储能力，迎来文明诞生的拐点

大约在三万年前，原始人开始用石器在地面或洞壁上刻画他们在生活中见过的太阳、野兽、果子的记忆，并向同伴解释交流。虽然这些绘画还不能称为文字，最多只能算是象形符号，但正是人类在外部媒介上记录信息的开始——这是人类史上的第一次“信息存储革命”！

新石器时代开始出现文字萌芽，人类文明化进程加速（摄于国家博物馆）

原始人的绘画在人类文明进程中具有极其重大的意义。这些绘画代表人类拥有了信息存储能力，这也正是人类与动物在文明进程上的分叉点。如果要问为什么上亿年的恐龙没有产生文明，为什么在地球上生存了4.5亿年的鲨鱼没有产生文明，为什么聪明的小蜜蜂也没有产生文明，那么从信息能力的角度可以给出一个答案——它们虽然具备一定的信息表达能力、信息传播能力和信息处理能力，但都不具备信息存储能力。

信息存储能力的获得，让人类从旧石器时代的“算而不存”升级到新石器时代的“存算一体”，又极大地促进了其他三种信息能力的飞速发展——人类将一些抽象信息用刻画方式记录在地面、洞壁、兽骨、木头等各种媒介上，一方面数量级地提升了信息传播能力，并且信息的精准度得到有效保持；另一方面实现了知识的跨时空累积，许多聪明人类个体产生的新知识可以通过基于外部媒介不断累积，并利用媒介在群体中传播。于是，“飞轮效应”形成，数量级地提升着人类的信息能力，人类文明的诞生水到渠成。

六、信息能力在现代人类文明发展中的作用

从人类文明诞生开始，便随着地域、种族、宗教的不同而不断地分化，并各自独立演进，例如大家熟知的四大文明古国、玛雅文明、古希腊文明、伊斯兰文明、西方文明、中华文明等等。一个有趣的观察是，从信息能力角度来看，不同的文明在四种信息能力的发展水平上各有侧重，不同的文明擅长的信息能力会有所不同。例如，可以用信息能力来对比中西方古代文明：

· 中国古代文明：信息表达能力较为突出，更擅长刻画模糊信息，如历史事件（史书）、主观体会（诗词歌赋）等；信息存储能力非常出色，发明了印刷术和造纸术，因而信息传播能力也较为突出；发明算盘等工具提升信息处理能力。

· 古希腊文明/西方文明：信息表达能力较为突出，擅长通过形式化定义来精准表达信息，比如欧几里得的公理体系；古代西方文明的信息存储能力相对较弱，长期通过羊皮纸来记录信息，昂贵而不易推广，从而导致信息传播能力并不突出，印刷术和造纸术的引入弥补了古代西方文明在信息存储和传播方面的不足；擅长发明机械式计算装置提升信息处理能力。

相比于几千年前的古代农耕文明，现代人类文明已经进入信息时代，信息能力也越来越高级。以下列出了一些具有代表性的高级信息能力（欢迎大家补充）：

现代国家的创新能力和所拥有的高级信息能力水平紧密相关——创新的过程，离不开信息表达和信息处理；创新的结果，或是新思想、新方法、新系统、新工具，需要通过信息存储记录，通过信息传播推广。

新思想、新方法需要通过图文（著书、论文、报告）形式来记录和传播。对于新系统和新工具，在我看来，开源代码是一种信息存储和信息传播的高效形式。好的开源项目本身就是记录新思想、新方法、新流程的出色载体，能更好地累积和传播人类智慧，比如Linux开源项目的源代码已经成为孕育创新的沃土。

七、衡量文明发展程度的新指标——信息能力向量

卡尔达肖夫指数是衡量文明发展程度的一个经典指标，即用能量级把文明分成三个级别：I型文明能使用所在行星所有可用的能量，II型文明能利用所处恒星所有的能量，III型文明则能利用所处星系的所有能量。卡尔达肖夫指数是一个非常优美的量化指标，备受科幻小说青睐，但这个指标并不适合用于衡量生活在同一个星球上的不同物种之间的文明发展程度。

卡尔达肖夫指数与三个级别的文明

为此，我们可以提出一个新指标体系——抽象信息运用能力（简称信息能力）——来衡量不同物种的文明发展程度。具体而言，信息能力可分解为四种可量化度量的信息能力向量（E,S,C,P），即：

· 信息表达能力（Express）：将抽象信息用某种方式（动作、声音、符号、文字等）表达出来并被理解的能力。该能力的大小可用单位时间所表达的平均信息量来度量（为了方便量化度量，信息量可用动作数、符号数来简化，也可以用信息熵替换）。

· 信息存储能力（Store）：将抽象信息以某种方式存储到大脑以外的某种媒介上的能力。该能力的大小可用单位时间存储的符号量来度量，即存储带宽。

· 信息传播能力（Communicate）：将抽象信息在一个群体中扩散并被理解的能力。该能力的大小可用单位时间传播触及的个体数来度量，其计算方式可借鉴传染病学模型中传染速率R0。

· 信息处理能力（Process）：将抽象信息进行运算、提炼、关联等操作形成新抽象信息的能力。该能力大小可用单位时间完成的操作数（Operations per Second，OPS）来度量，和计算机领域的FLOPS、OPS一致。

接下来，我们可以利用四个量化指标来大致衡量一些物种的信息运用能力。例如，单位时间以1秒钟来计，那么：

八、总结

这篇文章主要分析论证了两个观点：（1）动物具备了一定的信息表达、传播和处理能力，但缺失信息存储能力；（2）是否具备信息存储能力是区分一个物种能否进化出先进文明的关键，而人类具备信息存储能力，因此发展出了先进文明。

文章尝试提出一个可量化的评价指标，即信息能力向量(E,S,C,P)。最后基于这个指标画了一个雷达图来对比鲨鱼和人类信息能力，以此作为本文的结尾。

雷达图：对比鲨鱼和人类的信息能力

关注这个有趣的问题很久了，趁国庆假期正好整理一下思路，回答一下这个问题。以上内容纯属个人兴趣，引用的一些资料也是在业余时间收集积累的，比如关于国家博物馆的照片便是在2021年国庆假期参观时所拍摄。由于自己不是研究人类史，其中难免存在不准确之处，还请专家多指正。同时也声明一下：文中观点不代表单位观点。

文章2023年10月9日作为回答发表于知乎（https://www.zhihu.com/question/278203150/answer/3236926956），作者授权风云之声首发。

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■ 作者简介

包云岗

中国科学院计算技术研究所副所长、研究员，中国科学院大学计算机学院副院长，担任中国开放指令生态（RISC-V）联盟秘书长、RISC-V国际基金会理事、中国计算机学会CCF开源发展委员会副主任、北京开源芯片研究院首席科学家。近年来带领团队在国内率先开展了一系列开源芯片实践，包括 “一生一芯”计划、开源高性能RISC-V处理器“香山”项目等，入选2022年度IEEE MICRO遴选的全球计算机体系结构领域12项精选成果之一（Top Picks）。发表70余篇学术论文，包括ASPLOS、CACM、HPCA、ISCA、MICRO等国内外一流学术会议与期刊。曾获“CCF-IEEE CS”青年科学家奖、国家高层次人才领军计划、共青团中央“全国向上向善好青年”等荣誉称号。

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