窥探宇宙的能力——眼睛的进化史

来源: 中科院地质地球所

发布日期: 2020-09-10 10:43:50

本文探讨了眼睛的进化历程,从最早的感光细胞到复杂的眼睛结构,揭示了眼睛在生物进化中的重要作用及其不完美之处。文章还通过对比脊椎动物和软体动物的眼睛结构,解释了脊椎动物眼睛设计上的缺陷及其可能的进化原因。

有没有想过,我们的眼睛是不完美的?生物感受宇宙万物的方法很多,可以通过获取光波、声波、电磁波来探测世界的样子。经过数十亿年的进化发展,生物进化出了各式各样的感官,例如人类同时兼具眼、耳、鼻、舌、肌肤这五种感官,每种感官各司其职,在大脑的指挥下,帮我们构建起了对宇宙的认知。

每个器官都有其悠久的进化历史,但是其中一种感官却很独特,那就是眼睛,其结构就像一台精密无比的仪器,眼睛的每个组件都像是精心设计在一起,与其说是一步步进化而来,更像是一次组装好的。于是,眼睛也成为了神创论者在19世纪一直抨击生物进化论的有力武器,他们认为眼睛这么精密的器官一定是出于上帝之手。而饱受这一言论抨击的进化论之父达尔文,在当时也没有做出很好地解答,达尔文曾经承认眼睛的进化的确是一道难题。

直到20世纪末,人类对古生物化石的研究发现,才发现了眼睛进化的秘密,实际上眼睛的确是一步步进化而来的,并且人类的眼睛并非完美,而且存在着众多缺陷。本篇文章就带大家一起探寻眼睛进化的秘密,想象一下眼睛赋予生物的奇幻世界。

最早的眼睛其实只是由一撮感光细胞组成,只能感受到光线的明和暗。当这些感光细胞聚集在一起时,被称为眼点,这些感光细胞早在5亿多年前的寒武纪就已经出现在了生物身上,比如最早的脊索动物——皮卡虫。虽然,皮卡虫的感光细胞只能感受到光线的强弱,但这一进步已经在生物躲避天敌的本领上迈出了重要一步。

随着生物的演化,逐渐进化出了对感光细胞保护的结构。比如,同样是寒武纪的涡虫,在眼点的位置产生了一个凹陷,在可以保护感光细胞的同时,也可以借此粗略判断光线来的方向,做出更好的应对策略。涡虫至今仍保留着这种器官构造。

在适者生存的古生代海洋中,必须遵从“进则生,落后就灭绝”的生命法则,由于感光细胞的用途过于强大,上到捕食者,下到低等生物,都装备有一星半点儿的视觉器官。但在眼睛的演化过程中却发生了分歧。一部分早期具有感光细胞的脊索动物和软体动物,选择用凹陷的方法保护感光细胞,随着凹陷越来越深,最终眼睛形成了前段有小孔的形状,根据小孔成像的原理,位于眼睛底部的感光细胞逐渐能感受到了物体的影像。

在泥盆纪,脊椎动物厚积薄发,逐渐占据上风,以邓氏鱼为首的鱼类成为了新一代的海洋霸主。而凶悍的邓氏鱼之所以能够称霸,不仅是因为其比霸王龙还要强的咬合力,更是因为它直径达十厘米的“卡姿兰大眼睛”。邓氏鱼的眼睛发育出了眼球,并且眼球前段出现了可以变焦的晶状体,更重要的是出现了可以解析图像的视网膜,这种眼睛构造与现在人类的已经十分相似了。

随后,脊椎动物的眼睛在早期鱼类的基础上继续演化,主要是对神经系统的优化,功能和原理上并没有什么大的改变,包括一直以来脊椎动物眼睛存在的一个重大缺陷!其实,眼睛并不是一个完美的器官,脊椎动物的眼睛存在着一个极不合理的缺陷。

下面做个简单的实验。下面动图中有一个正在向圆形图案移动的十字图案,每一步都清晰可见。然后,眼睛距屏幕一定距离,闭上左眼,右眼紧盯住左边的十字图案,缓慢靠近屏幕或远离屏幕,很快你会发现在某个位置右边的圆形图案忽然消失了,用同样方式,闭上右眼,左眼紧盯看右边的圆形图案,十字图案也会消失。如果你成功了,恭喜你,你发现了盲点。这就是著名的“盲点实验”。

中学知识告诉我们,光线透过晶状体将物像成在视网膜上,传到视觉神经,再传至大脑,而问题就出在这个视网膜上。视网膜分为三层,分别是感光细胞、双极细胞、神经节细胞,感光细胞可将光信号转化为电信号,而双极细胞则负责分类处理这些电信号,最后神经节细胞会把这些分类好的电信号传输至大脑形成最终影像。理论上,用于接受光线的感光细胞应该双极细胞和节细胞之前先接受光线,但事实顺序却完全相反。

这么奇怪的设计,还增加很多眼部疾病的风险。因为感光细胞与后面的色素细胞接触松散,使得剧烈运动或打击都会有视网膜脱落的风险,更严重的是,高度近视的人翻个白眼都可能视网膜脱落。为了给双极细胞和节细胞供血,血管需要包围视网膜表面,使得人眼中血管可见,阻碍成像的同时,破裂还会导致眼底出血的症状。

然而,几乎是同时期进化出眼睛的软体动物,却没有这种奇怪的设计。比如说章鱼,它们视网膜组成顺序就是正确的,直接由感光细胞达到神经节细胞。并且由于神经纤维的拉扯,加强了视网膜的牢固性,更没有“盲点”的出现。

至于为什么脊椎动物会有这种错误的进化,古生物学家也做出了解答。

原因在于最初形成眼睛的脊索动物,它们的眼睛位于身体内侧,左眼来看右侧的物体,光线穿过透明的身体,到达内侧的感光细胞,既起到了视觉的作用,又保护了眼睛。但是随着脊椎动物演化,身体不再透明,左眼只能用来看左侧了,四倍体生物的出现使得生物逐渐趋于对称化,神经更加发达,然而早期形成的视网膜顺序却再也无法改变了。于是乎,这个神奇的错误延续到了我们身上。

综合而言,眼睛对于生物的演化起到了重要的作用,视觉系统的进步可以让一种生物称霸整个生物界长达上亿年。而如今拥有高等智慧的人类,也凭借着机械的手段不断拓展着我们的视觉能力,就像通过哈勃望远镜看向深邃的宇宙。其实,很多生物的感官系统都很独特,比如蝙蝠可以用声波定位,海豚可以用超声波沟通,宠物猫狗也可以看到人眼看不到的紫外线,甚至人类的近亲猴子也可以看到人类看不到的电磁波。

万千世界无奇不有,寒武纪的机缘巧合让生物生长出了眼睛得以看到这个世界,我们不妨放开脑洞思考一下,宇宙中的其他生命体他们是通过什么样的感官来感受世界的呢?

或许他们是和我们一样的碳基生命,用着同样的蛋白质,却长着独特的感官;又或者他们是机械元件组成的机械文明,通过引力波或者电信号来沟通,用红外线来扫描物体;又或者……但毫无疑问地是地球生命的眼睛是十分独特又紧密的,当有一日外星高等文明与人类文明接触时,他们可能感到最奇怪的就是我们每个生命都有的眼睛,或许在他们的语言里会称呼我们为“眼睛星球”呢~希望大家日常要适度用眼,防止用眼疲劳,要好好保护眼睛哦~

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