@ 2017.04.05 , 23:00
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视野:陆生起源

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生命起源于海洋,当水生动物选择向大陆扩张栖息地,这便意味着他们需要将自己的鳍替换成四肢,将鳃替换成肺,以便能够适应新的生存环境。要知道,这可不是找巫婆以失去说话能力和喝下一瓶浑浊的药水那么简单。选择这种进化方向不异于现代的任何科学发明。

而这种陆生迁徙说一直没有得到确切的理论支持和广泛的观点统一。在一项最近的研究中,鳍和鳃的变化并没有完全描绘出当年水生动物向两栖类转变的全部信息。自海洋来到大陆,一定有什么重要的东西吸引着他们前赴后继的穿越这种籓篱--信息。在空气中,我们的眼睛能够获得更长的视距,增加的视野被称作信息压缩线(informational zip line),能够帮助上古生物寻找海岸线附近的食物源。

西北大学生物神经工程学家Malcolm MacIver解释了了压缩线的概念,它也是驱动生物四肢变化的源动力之一,这使得部分水生生物能够在陆地上进行短暂的停留和移动。而更深远的影响在于,这种能力(开阔视野)促使的生物能够完成更为先进的认知和复杂的运动规划。如果仅仅是通过化石进行分析是很难讲我们的四肢进化与信息所联系起来的,而促使我们从海洋登陆的原因竟然是信息。

他与Lars Schmitz(克里蒙特学院联盟的古生物学家)对此进行了数学建模,以便探索究竟多大的信息量才会使得生物在上古时期对自身进行严酷的改造,进入满是空气的大陆生活,其中至关重要的一点便是眼睛的大小。他们在实验中将这种假设称为buena vista,相关的研究发表在《Proceedings of the National Academy of Sciences》。

MacIve目前的工作已经受到业内专家的肯定,而相关的古生物学研究也一直在对化石中能够反映生物眼球大小的数据进行测量,之前他们也很好奇这系列的数据能够反馈出动物视野的何种变化趋势。皇家兽医学院的John Hutchinson称,虽然这种古生物学的测量数据早已有之,但是这种定性观测只能在宏观进化尺度上表现出特定的定量变化,并没有涉及认知概念。

水下狩猎
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早在2007年MacIver 就首次提出了他的假说,当时他还在南非研究黑鬼鱼(black ghost knifefish)。这种特殊的电鱼能够通过在夜间发出电流来感知周围的环境。MacIver类比这种特殊的鱼类超能力像是人类的雷达系统。作为一名博学多才之士,以及对大自然的无限好奇之心,秉承所掌握的机械、数学、神经和古生物学知识,他自己打造了一个机械版的刀鱼,当然,重点在于这条机械鱼也具备类似的电感知系统,它被用来进行黑鬼鱼奇特的感知能力和运动能力的相关研究。

通过调节黑鬼鱼对周边环境感知域的调节,来计算黑鬼鱼潜在能够捕获的水跳蚤能力,他发现黑鬼鱼的捕食感知能力其实与普通依靠水下视觉进行捕食的鱼类差不多。但是这其中大有秘密,黑鬼鱼需要通过释放电信号来感知周边环境,这意味着更多的能量消耗(想象成主动感知,对比被动感知视觉)。而他所作出的假设中,黑鬼鱼应该比依靠视觉进行感知的普通鱼类有着更小的感知域。可能是计算失误?不过他立马想到水对光线的吸收和折射会导致视野的梯度下降--这便是关键。在理想情况下,以清水为例,光线在水中的衰减距离(attenuation length):水在被吸收和折射前所传播的距离大约在10cm到2m之间。但是在空气中,光线一般能够传播25-100km,当然也要考虑空气湿度的影响。

受此因素的影响,水生生物很难通过眼部进化(增大)获得更多的生存便利,同时会丧失很多,也就是水生生物不会通过点击眼部技能树获取技能收益。而眼部的进化需要消耗大量的能量来维持,光感细胞、视神经以及大脑相关区域的神经细胞都需要消耗大量的能量来维持视觉感知。虽然通过扩大眼球以及对应的器官部分能够提高生物的视觉感知能力,但是从整个生存边际曲线上看,这种投入回报比十分低廉。MacIver类比单纯的增大眼球相当于在雾中开大灯,其实并不能提高多少水下视野。

但是,一旦切换道陆生,眼球的增大却能够获得异常优厚的视野扩展比例。

MacIver 由此推断,在水陆模式切换的过程中,将带来眼球规模的巨大变化,于是他找到了进化生物学家Neil Shubin,后者所在的团队发现了一块至关重要的鱼类化石-Tiktaalik roseae,来自于 3.75亿年前的这种鱼类同时长有肺和鳃。MacIver 对此异常兴奋,因为古生物学家们手中有一大堆数据,其中就有关于化石眼球大小的相关数据,只是他们并没有看出其中的玄机,于是MacIver决定独自展开研究。

鳄鱼的眼球
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MacIver还有个有趣的假设,但是需要相关的论据支撑。于是他与Schmitz组队,后者是一名经验丰富的四足动物化石研究者,他对这些化石的眼框大小了如指掌,之前提到的共有肺和鳃的鱼类化石便是其中之一,接着他们便开始思考如何寻找支撑假说的推理链和支撑链。

他们首先遍历了之前关于化石眼框部分的数据来寻找能够支撑眼框大小变化的部分,间接代表眼球的大小,这两者成正比。他们一共收集了59个标本头骨数据,这些化石均为正在进行水陆过渡期四足动物化石,这样除了眼球大小,他们还能估算大脑的大小。接着他们将相关数据导入电脑中的模型来模拟在物种在进化的延续中眼框大小的变化情况,以便获得遗传特性相关的推论。

他们确实发现了生物在水生-陆生转变周期内眼球十分显著增大,大约是三倍左右。在转变前,化石的眼球平均直径大约是13毫米,成功登录后大到36毫米。此外,这些生物虽然来到陆地,可是在不久之后又回到了水中,就像墨西哥洞鱼Astyanax mexicanus。他们的眼球最终又变回到14毫米左右,就像他们来到大陆之前一样。

现在还有一个未解之谜,最初的假设中MacIver 认为只有生物完全登录之后,眼球才会开始发生增大现象,因为是在开始陆生之后的捕食条件驱动了这一进化方向。但是从化石的数据上看来,这种增长以及在水陆切换的过程中就已经完成,甚至要早于鱼类的鳍进化成爪爪。那么,陆生条件便不完全是驱动水生生物登录的主要因素了。

通过重新审视相关的数据,他们呢发现了另一个特点,这些生物的眼框位置在转变过程中也不断发生变化,从最初的颅骨两侧逐渐移到头顶,并且在头骨顶端形成两个凸起。另外,在耳朵附近的呼吸孔也发生了相关的变化,变得容易接近水面进行呼吸。简而言之,他们的头骨变得类似于鳄鱼。一瞬间,所有的矛头都指向了正确的结论,两栖--在水中生存时就获得陆生视角。以最小的进化代价获取在陆地捕食猎物的能力。

所以,在当时采用类似于鳄鱼的捕食方式便是进化到陆生的魔法药水。就像数据所表明的,在完全成为陆生生物之前,他们的四肢还尚未变化完全。

这一结论与剑桥大学古生物学家Jennifer Clack的研究,在名为 Pederpes finneyae的化石上的发现不谋而合。这块化石中的生物还并非完全陆生,但是是已知最为古老的能够在陆地行走的动物化石之一。从水生到陆生的过度阶段,这颗化石中的生物被认为可以同时在水中和陆地生活。

为了对眼球的增长进行估算,MacIver希望找到陆生生物视野的极限。通过改进一个现有的生物模型,除了调整眼球大小,综合考虑其他相关因素。在水中,扩大眼球大约只能在正常水生环境增加6-7米的视野,而在陆地上则能够扩大额外的200-600米。

通过测试不同条件下的模型仿真,白天、夜间、没有月光的夜间、星空、清水、浑水等,在任何条件下水生生物扩大眼球体积都不是明智的进化之选。而无论是白天还是夜间,获得更为广阔的视野都是有利的--捕食猎物,躲避天敌。

利用定量工具来解释呆板的化石记录是相对新颖的方式,大量的进化生物学家和古生物学家都开始借助类似的方法。

大量的生物学家通过观测化石来推论化石中的生物如何匹配现实环境。在发现该论文发表之后对其中的数据和相关的仿真赞赏不已。本章剩余部分着重描述新方法在生物学相关领域的推广,不在此赘述。

新的观点
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作为一个拥有神经学背景的生物学家,MacIver不可避免的联想到新情况对这类过渡阶段动物的认知和行为的影响。水生生物的捕食范围受限于视野范围,其实也仅限于面前一等生距离的范围,因此,它们在捕食过程中进行的行为规划将十分有限,进行的时间也不过几毫秒。在霎那间,吃与被吃的结果就立马显现。

而在陆地上,我们能够在更远的距离上进行规划,做出不同的条件判断和捕食策略和逃跑策略。MacIver推测在登录初期,突变的水生生物仍然采用类似直觉的捕食方案,但是随着陆生生活的延长,他们的捕食和逃跑策略将变的额外复杂和精巧。这时,精神世界存在着另一场博弈,这可能才是真正的智慧之源,认知行为的初始-而非被传唱的智慧果。

其他的器官同样在接下来的认知发展中各种独当一面,这是一件十分有趣的事情,听觉如何发展?嗅觉在陆生之后又变的多么重要?来自康奈尔的进化生物学家也对此十分着迷,其中一个例子就是大马哈鱼通过嗅觉溯流而上。

Hutchinson 也赞成感官在我们进化过程中所起到的引导作用,他们把研究扩展到除视觉之外的地方。虽然嗅觉和味觉在水中就已经被古生物所掌握,听觉在变迁的初期变化要仅次于视觉。

他们希望接下来探索人类的进化方向,希望找到能够激发人类进化的契机-“paleoneurobiology of human stupidity”。人类能够通过短期内的威胁,做出远期的规划。但是仍然有很多局限的地方,这种规划可能只是季节性的,甚至是可达数年的时间,但是和地质时间尺度比起来只是沧海一粟。他希望能够通过类似研究寻找我们认知的盲点,接着便是突破。

本文译自 quantamagazine,由译者 邻家乖蜀黍 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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TOTAL COMMENTS: 12+1

  1. 小弟阿莫西林
    @10 months ago
    3417528

    稻花香里说丰年

  2. 弘扬正能量
    @10 months ago
    3417541

    视力那么重要,大家不要学我,打星际的都是盲人

  3. 奇怪的蜀黍
    @10 months ago
    3417543

    @小弟阿莫西林: 听取人生经验

  4. 同行的你网
    @10 months ago
    3417546

    智慧源于大自然;

  5. 3417557

    创建文明社区,评论区禁止养苟。

  6. 日人民报
    @10 months ago
    3417565

    看题目知评论系列

  7. 3417610

    果然,上一条关闭评论了

  8. 3417630

    现在又是一次信息驱动的进化奇点,可以研究人为啥要向机械人进化了

  9. 3417661

    数十万年前😳

  10. 3417679

    “当时他还在南非研究黑鬼鱼(black ghost knifefish)”,为什么不是nigger fish(滑稽脸)

  11. 3417694

    XJB猜系列?

  12. 3418924

    浅水滩涂很重要,甚至人类直立行走和体毛退化恐怕也是在浅水区逐渐适应出来的。水的浮力如同学步车;浅水贝类鱼虾的丰富蛋白质食物是大脑发育进化的重要支持;最后,看看海象海豚鲸之类水生哺乳动物的体表,人类“光溜溜”的身体在干燥地面上无论如何没有理由存在,也并不是优势。

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