@ 2015.09.14 , 21:00
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为节约能量,洞穴盲鱼进化中大脑缩水

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在远古的某个时候,一群鱼被冲刷进墨西哥东北部的一个石灰岩洞穴中。这些鱼没有出路,只有蝙蝠粪可吃,它们开始适应新的穴居生活方式。无法在黑暗中看到其他成员,它们失去了颜色鲜艳的色素,然后它们失去了视力,他们的眼睛渐渐变小,然后完全消失。

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这还伴随着大脑视觉系统尺寸的急剧缩小,然而,为什么盲洞鱼失去眼睛和大部分大脑这一问题仍然没有得到回答。现在瑞典生物学家们相信他们已经找到了答案。他们在今天发表的新研究中报告说,失去视觉系统为这些鱼节约了大量能量,并可能是它们被困的祖先们生存的关键。

洞穴盲鱼(Astyanax mexicanus)以其它方式适应了地下环境。随着视觉退化,它更依赖于嗅觉和味觉,其味蕾变得更大更多。它们还发展出了一种检测机械压力变化的强化能力,使它们对水体运动更为敏感

去年,隆德大学的Damian Moran和同事们报道,洞穴盲鱼在进化过程中消除了自身代谢的昼夜节律,这导致它们的能量消耗大减27%。这项新研究的目的是检验它们是否也由于相同原因失去了视觉系统。

达尔文很难想象为什么眼睛会对生活在永恒黑暗中动物有害,而把它们的消失仅仅归结为“用进废退”。然而,根据另一个假设,发生视觉退化是因为生长并维持眼睛和大脑组织需要大量能量。

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人脑完美说明了大脑组织在能量上有多昂贵。尽管它只占2%身体质量,却消耗了身体能量的四分之一,而且几乎三分之一的大脑皮层是专门处理视觉信息的。

然而,主要是因为通常不可能比较活有机体相对于其古代演化祖先的能量消耗,很难找到这种“昂贵组织假说”的令人信服证据。但洞穴盲鱼是测试这个想法的理想对象,因为他们的祖先——地表居住形态——仍然栖息于墨西哥东北部和德克萨斯的河流中。

Moran和同事们于是从墨西哥的洞穴和河流中采集了洞穴盲鱼及其地表对应物种,还有一种残留部分色素和眼睛的混合形态的样本,并把他们带回瑞典的实验室,在那里他们用特制的呼吸测量仪测量和比较这些鱼及其所有内部器官的大小和代谢率。

他们发表在《科学进展》期刊上的研究结果表明,虽然心脏、消化系统和生殖腺的尺寸和重量在三者中大致相同,并使用大致相同数量的能量,穴居形态的鳃比其它两者大得多,使它们能在缺氧的洞穴环境中呼吸。

而地表居住鱼的大脑也比洞穴盲鱼大30%左右,而混合形态则介于两者之间。在地表栖息者中,大脑体积与身体质量增加相关,因此更大的个体有更大的大脑。然而在穴居者中,没有这样的相关性存在——由于中脑区称为视顶盖的通常从眼睛接收视觉输入的区域显著减小,它们都有着更小的大脑。

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这些尺寸减少显著降低了能源消耗。研究人员计算出体重1克的地表鱼的大脑能耗约为其静息代谢率的15%,在8.5克重的鱼中降低到5%,相比较下混合形态在对应体重下分别为4%和3%。而眼睛在8.5克重的地表鱼中消耗约8%静息代谢率,在最大的样本中降低到5%。

总体而言,地表鱼的大脑占其静息代谢率的23%,相比之下,洞穴盲鱼只占10%。因此,相比地表鱼类其大脑视觉部分的尺寸缩减降低了总能耗约30%。

这是表明穴居生物为了节约能源而失去视觉系统的强有力证据。调查结果还提供了不同类型的进化压力如何推动大脑演化的见解。

根据另一种假说,烹饪的发明是人类大脑进化的一个主要驱动力,因为它会从我们祖先所吃的食物中释放出更多能量,从而使大脑膨大而肠道缩小。看来相反的事情发生在了洞穴盲鱼的祖先身上——发现自己被困在黑暗洞穴里,他们的大脑急剧萎缩,以节约能源来确保他们的生存。

参考:Moran, D., et al. (2015). The energetic cost of vision and the evolution of eyeless Mexican cavefish. Sci. Adv.,1:e1500363 [Abstract]

本文译自 The Guardian,由译者 王丢兜 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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TOTAL COMMENTS: 24+1

  1. 2931324

    为了远离政治……

    [54] XX [1] 回复 [0]
  2. 2931326

    不服你来深海咬我啊

  3. 2931344

    如果食物不成问题,那么鱼类的大脑肯定能进化成最发达的,因为它们的大脑是水冷的。

    [53] XX [4] 回复 [0]
  4. 单身狗
    @2 years ago
    2931346

    吃大便过活让多数鱼都恶心死了,之剩下这些没脑子眼瞎的活了下来

    [117] XX [2] 回复 [0]
  5. 2931348

    用进废退,别告诉我,这就是你打飞机的原因

    [21] XX [1] 回复 [0]
  6. zsf 在哪里
    @2 years ago
    2931351

    所以说显卡功耗大?高清屏幕续航短?

    [25] XX [1] 回复 [0]
  7. 东经
    @2 years ago
    2931369

    a和b因海难来到了一个荒岛上,a在岛上转了一圈,对b说:“有一个好消息和一个坏消息,先听哪个?”
    b:“坏消息是啥?”
    a:“咱们在的这个荒岛啥也没有,以后只能以牛粪为生了”
    b:“那坏消息呢”
    a:“牛粪有的是”

    [22] XX [9] 回复 [0]
  8. 2931389

    自然界并不存在退化和进化,只有更适合生存的基因更容易遗传下来。但我很好奇的是变异的根本原因是什么

  9. 今天疯
    @2 years ago
    2931413

    反正无论怎么说,这种长得奇怪的东西,我是肯定不会吃的。。。

  10. 逃避者
    @2 years ago
    2931416

    @东经: 为何有牛粪却没有牛呢?

    [41] XX [0] 回复 [0]
  11. shitool
    @2 years ago
    2931443

    “你这智商是为了节约能量吧?”

    [17] XX [0] 回复 [0]
  12. jackmoody
    @2 years ago
    2931478

    所以说,老滚5里的雪精灵其实挺科学喔

  13. 2931480

    @东经: 光有牛粪没有牛吗?

  14. 2931550

    一群只能靠吃蝙蝠粪过日子的鱼,选择不去看恶心的食物

  15. 普利尼
    @2 years ago
    2931578

    味觉发达了但是却只能吃蝙蝠粪。。。。

  16. 游客
    @2 years ago
    2931594

    @逃避者: 因为a和b是苍蝇

  17. leonevil
    @2 years ago
    2931601

    盲鱼生活在暗河

  18. 2931621

    有文说长期贫穷会使人智商下降,看来是真的

  19. 2931822

    这个故事告诉我们说,有时候,脑残是好事。

  20. 2931952

    @逃避者: a把最后一头吃掉了

  21. 殒殁
    @2 years ago
    2932064

    为了成为恶魔猎手

  22. 2932072

    五妄。。。

  23. 2932073

    地铁 列车长 五妄

  24. you_know_who
    @2 years ago
    2932215

    这说明显卡很费电!

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