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眼睛是非常精密的器官,但為啥偏偏是左右一對,一隻不可以嗎?
談到眼睛的數目,就不得不談談眼睛的演化過程。
單細胞生物已經具備感光能力,擁有眼點。
動物演化成腔腸動物之後,便出現了神經細胞。演化成扁形動物之後,神經系統開始集中,變網狀神經系統為梯形神經系統,視覺細胞也開始集中在了動物的“頭部”。
在扁形動物中,有一個叫做PAX6的古老基因,這個基因令扁形動物頭部,出現了能夠匯聚色素的凹陷。這個凹陷可以說是眼睛的最初形態。
扁形動物作為兩側對稱動物,左右分別一個眼點,無論捕食或者躲避天敵,是能保證生存的最少眼睛數目。
PAX6的基因源頭,大致能追溯到最初的兩側對稱動物。學界一般認為,像浮浪幼蟲的原始腔腸動物分別演化成了腔腸動物和兩側對稱動物。
為什麼後來的兩側對稱動物都具有PAX6基因?
我們可以這樣認為,沒有PAX6基因、不具有更強感光能力的動物,都被吃滅絕了。
那麼,扁形動物為什麼恰好就是兩個凹陷眼點呢?
薛定諤在《生命是什麼》一書中提出了生命以負熵為食的觀點。生命體,也是熱力學上的耗散結構。不清楚概念的,可以簡單理解為:這是一種動態的穩定有序結構。
△ 薛定諤:我不僅僅只有貓
生命體內能量消,會不斷產熵,那麼就需要攝入負熵(食物等)。這便是新陳代謝,如果新陳代謝被破壞,生命體也就宣告死亡。
那麼,這和眼睛的演化有什麼關係?
因為生命體作為耗散結構,也是最節能高效的。如果兩隻眼睛幫助攝入的負熵比起能量消耗產生的熵比值最高,那麼一隻眼睛或者更多的眼睛,都會讓生命處在更不利的競爭環境之中。
簡而言之,更多的眼睛需要更多的能量消耗,就需要攝入更多的食物。哪怕一開始有扁形動物演化出了更多的凹陷眼點,在食物匱乏的時候,它們可能率先滅絕。
正是因為PAX6基因提供的眼睛演化的基礎模板,於是在寒武紀生物大爆發的時候,來了一場視覺大爆發。
基本上原始的節肢動物、頭足動物以及脊索動物,循著PAX6基因提供的原始模板,打造了三個完全獨立的視覺演化之路。
節肢動物通常具有一對複眼。
如果有人觀察過蒼蠅的眼睛,應該能知道,複眼實際是由無數細小的眼睛構成的,和人類的眼睛是完全不同的結構。
這些小眼單獨感光,能夠獨立成像,經過節肢動物的“大腦”綜合處理之後,它們看到的是一個拼合的畫面。
△ 蒼蠅複眼放大375倍
當前已有科技公司,把這樣的光學原理用在攝影成像技術上,稱為複眼攝像機,據稱能達到億萬級畫素。
不過,昆蟲的這種眼睛實際缺乏調焦的能力,難以分辨細節,但在捕捉運動物體上具有極其完美的能力。不僅人類的正常手速在它們眼裡猶如慢動作,哪怕是人類看到的高幀數電影在它們眼裡也僅僅只是幻燈片。
正因為複眼能力的缺陷,大多數節肢動物演化出了單眼。
△ 蝗蟲單眼
大多數有三個單眼,但也可以沒有,或者多達數個。通常昆蟲的幼蟲具有多個單眼,例如蠶的幼蟲多達12個單眼。節肢動物的複眼能視物,而單眼則只能感光。
節肢動物的眼睛如此演化,可能是它們具有堅硬的外殼,阻礙了眼睛向凹陷方向的發展。
總之,在5億年前的寒武紀,節肢動物率先用上了捕獵的利器——眼睛。奇蝦和海蠍子先後成為了海洋霸主,然而和海蠍子同時代的,還有一個霸主——房角石。
房角石是典型的頭足綱動物(章魚、烏賊類的遠祖)。它的後裔——章魚演化出來的眼睛,被一些現代人稱為出自上帝之手。
其實頭足綱動物並沒有什麼秘密,它們是完全自然而然的繼承了PAX6基因提供的眼睛演化模板。眼眶位置凹陷,感光細胞匯聚,吸收更多的光線,一些細胞填入凹陷中,或降低或提升了視覺能力。降低視覺的滅絕,提升視覺的得以繁衍生息。
填入凹陷的細胞,令視覺能力越來越強,最終演化成了晶狀體、玻璃體以及虹膜……
上帝造物論持有者,往往認為眼睛精巧而複雜,典型的非演化產物。
但實際,這個精巧的結構,也僅僅只是如同積木一樣,一步步地搭成的。
如果說眼睛算是足夠精巧,那麼人的大腦、神經網路又算什麼呢?
甚至,哪怕隨隨便便拿一個人體身上的器官和眼睛對比,眼睛就一定比它們複雜嗎?
△ 神經科學家格雷格·鄧恩,藝術加工後的大腦視覺皮層
和節肢動物、頭足綱的索狀的中樞神經不同, 脊索動物的中樞神經是管狀的。
雖然管狀神經系統,有利於大腦和脊椎的演化,但在眼睛的演化之路上卻更加的曲折。
脊索動物原本暴露在外部的眼部神經索,直接被捲入了體內,翻了一個面。
但由PAX6基因提供的原始模板是不能更改的,那麼就只能在反轉的神經索上演化成眼睛了。
在脊索動物活化石文昌魚透明的身上,能夠直接觀察到這樣的反轉結構。
不過文昌魚沒有大腦,也不算有真正意義上的眼睛,只有額眼(腦眼),尚只有感光能力。額眼是帶色素的杯狀凹陷,由PAX6基因控制,僅僅只是扁形動物眼點的加強版而已。
不過,後來的所有脊椎動物的眼睛,都是從類似於文昌魚的脊索動物遠祖反轉眼睛所演化來的。
目前發現的最久遠的脊索動物是皮卡蟲。
可以看出,和文昌魚極其的相似。
生物演化只能做加法,無法做減法。尤其是基因層面上,所有廢棄的基因密碼都會記錄在染色體上,只不過在生物演化之後,很多密碼都成了不會表達的內含子。
所以相比起頭足綱動物,脊索動物的眼睛天生就是反的。而且眼睛神經索的反轉,在我們人類還在媽媽肚子裡,胚胎早期的時候會重複這個過程。
反轉的眼睛,造成我們視物的時候,光線需要線穿過血管、神經細胞才能到達感光細胞。然而感光細胞感光的是色素部分,所以還需要穿過感光細胞的細胞核,才能真正的成像,並傳送給大腦。
正因為這樣的反轉結構,我們的眼角膜也更加脆弱,視網膜容易脫落,有視覺盲點。
但很顯然,章魚的眼睛卻沒有這樣的問題。
這也難怪,有人會認為章魚眼睛出自上帝之手。
不過,脊椎動物眼睛在演化過程中,演化出了黃斑,在黃斑的調節下,視力並不亞於任何一種動物。
黃斑富含黃葉素,是視力最敏銳的地方
黃斑病變,則可能出現以下視覺問題:
總的來說,脊椎動物的視覺能力實際並不亞於頭足綱。
甚至鳥綱中的猛禽類,基本上擁有獨步天下的眼睛。人類視力的1.5標準,在鷹那裡可以達到5.3。而且鳥類眼睛中存在“油滴”,天生自帶濾鏡。不同型別的鳥類,具有不同型別的油滴,增強不同顏色的對比度,以發現相應顏色的天敵或者獵物。(雖然有人鼓吹皮皮蝦豐富的色覺,但實際在視覺清晰度層面,就是完全的抓瞎)
如說章魚的眼睛出自上帝之手,那麼雄鷹第一個表示不服。
澳大利亞楔尾鷹,幾乎擁有世界上最好的視力
章魚的眼睛,雖然是“正”的,但適應的是水生環境。而脊索動物眼睛翻轉的背後,卻是一場神經革命。雖然章魚是除了脊椎動物智商最高的動物,但他們提高中樞神經效率,只能透過壯大神經索。而脊椎動物,則更新了一套先進的系統。
關於神經的演化革命,可以看看我的這個回答:
總之。兩隻眼睛的密碼,印刻在基因裡數億年。
不是一隻眼睛的人類被淘汰了,而是一個眼點或者多個眼點的原始兩側對稱動物被淘汰了。只有兩個眼點的兩側對稱動物傳下了後代,並演化出了眼睛。
無論後代的眼睛如何變化,都只能在PAX6基因的基礎上發生競技革命。
朋友們可以大膽猜測一下,如果輻射對稱動物演化到高階形態(假設依舊輻射對稱),它們會有多少眼睛呢?