地球上是如何進化出像人的眼睛和大腦這樣複雜的器官的?

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眼睛的進化

儘管人類眼睛的解剖結構看似簡單,但它卻是一個極其複雜的結構。達爾文同樣對眼睛的複雜性感到驚奇,然而,儘管他不能確切地解釋,但他相信眼睛如此驚人的複雜性可以通過進化過程來實現,即使非常小的變化,只要是有利的,就可以代代相傳,繁衍生息,創造出像人眼這樣複雜的奇蹟。達爾文提出了人類眼睛是逐步進化而來的,通過不同生物眼睛差異比較,可以發現簡單眼睛到最複雜眼睛是循序漸進的。事實上,在進化過程中,確實存在大量的過度生物將一種類型的眼睛與另一種類型的眼睛連接起來,最簡單的眼睛只不過是聚集在一起的一小部分感光細胞的斑點,最終進化到人類眼睛的複雜程度。

1994年,生物學家Nilsson和Pelger 發表了一篇經典論文,從一個簡單的感光眼窩開始,研究了複雜相機型眼睛的進化過程,他們的理論認為一系列的無意識的漸變,從眼點到魚眼,需要經過1829個1%的變化逐漸積累,過程需要跨越大約35萬代,或者大約50萬年。

一些遠古生物通過皮膚上簡單的感光點獲得一些微小的生存優勢,比如躲避捕食者。最開始在感光細胞的前面有一層透明的上皮,眼斑簡單扁平的生物包括刺胞蟲水母、渦蟲、環節動物和海星。蚯蚓和海膽的眼斑由分散在它們表面上皮細胞上的單細胞光感受器組成。一些有眼斑的生物的整個身體很大程度上是半透明的,這些生物沒有相關的色素細胞,因此不能辨別任何確定光源的方向,只能感受的周圍環境是亮還是暗;其他半透明的生物有色素細胞,可以確定光源的方向,以生物可以有意地朝向或遠離光源。接著,眼窩向內凹陷,這可以讓眼睛更好地感知光線的方向,從而提高視力,扁形蟲有這樣的眼睛。

凹坑的邊緣開始收縮,形成一個更窄的開口或孔,在開口周圍,凹坑開始充滿透明的膠狀物,膠狀物或粘液有助於保持核的形狀,並有助於保護光敏細胞免受化學損傷。而且,膠狀物還可以防止泥和其他碎片進入眼睛。隨著凹陷越來越深,孔徑越來越窄,信息變得更加精確,眼睛開始有可能辨認出形狀。接下來,眼睛需要一個鏡頭,於是出現一個球形的透明細胞團晶狀體,晶狀體可以通過非常微小的折射率增加來細化,從而使眼睛能夠聚焦,蝸牛或蛞蝓身上就發現了這種帶有原始晶狀體的眼睛。

隨著時間的推移,晶狀體向光敏表面的曲率中心移動,而且折射率增加,晶狀體中心折射率比邊緣折射率高,這種漸變折射率能夠糾正失真,顯著提高了圖像質量。至此,經過一系列漸變之後,照相機式眼睛的進化就完成了。

大腦的進化

遠古的單細胞生物沒有大腦,但它們擁有複雜的感知並且能夠對環境做出反應,多細胞動物的進化依賴於細胞能夠感知並對其他細胞做出反應,從而使多個細胞協同工作。例如,海綿通過身體管道泵入的水過濾食物,通過緩慢地膨脹和收縮這些通道,以排出沉澱物防止管道堵塞。當細胞檢測到像穀氨酸或GABA這樣的化學信使時,就會觸發這些動作,這些化學物質在今天的大腦中起著類似的作用。

將化學物質釋放到水中是一種非常緩慢的與遠處細胞交流的方式,玻璃海綿進化出一個更快的方法——發射一個電脈衝,使所有泵水的鞭毛在幾秒鐘內停止動作。因為所有的活細胞通過泵出離子在細胞膜上產生電勢,打開離子在膜上自由流動的通道會使電位發生突然變化,如果附近的離子通道也隨之打開,一種波可以以每秒幾米的速度沿著細胞表面傳播,由於玻璃海綿中的細胞融合在一起,這些脈衝可以傳遍整個身體。

許多傳遞電信號、釋放和檢測化學信號所需要的成分都存在於一種叫領鞭蟲(choanoflagellates)的單細胞生物體中。這一發現意義重大,在大約8.5億年前, 領鞭蟲進化產生了動物。所以幾乎從一開始,早期動物體內的細胞就有可能通過電脈衝和化學信號相互交流。

從那時起,對於某些細胞來說,成為專門攜帶信息的細胞是一個很大的飛躍,這些神經細胞進化出長長的、線狀的軸突,用來遠距離傳輸電信號。它們仍然通過釋放穀氨酸等化學物質將信號傳遞給其他細胞,但它們是在突觸與其他細胞相遇的地方傳遞信號的,這意味著化學物質只需要在一個很小的縫隙中擴散,就能大大加快速度。所以神經系統誕生了。第一批神經元很可能是在一個遍佈全身的擴散網絡中連接起來的,這種結構被稱為神經網絡,在水母和海葵中仍然可以看到。

一些動物中,神經元群開始出現中樞神經系統,信息能夠被處理,而不僅僅是傳遞,使得動物能夠以更加複雜的方式移動和對環境做出反應。最特殊的神經元群第一個類腦結構在嘴和原始眼睛附近發育,發生在一種叫做urbilaterian的蠕蟲類生物身上,urbilaterian是大多數現存動物的祖先,包括脊椎動物、軟體動物和昆蟲。然而urbilaterian的一些後代,比如橡子蟲,卻沒有這種神經元環

無論如何,脊椎動物的祖先有一箇中央的、類似大腦的結構。這些原始的類魚生物類似於文昌魚,文昌魚的大腦與脊髓幾乎沒有什麼區別,但其特殊區域是顯而易見的,例如後腦控制著游泳動作,前腦則參與視覺。

早期的魚類在尋找食物和配偶,躲避捕食者過程中,大腦中許多核心結構仍在進化——視覺中樞參與用眼睛跟蹤移動的物體;杏仁核對恐懼情況做出反應;邊緣系統帶來獎勵的感覺,幫助儲存記憶;以及控制運動模式的基底神經節。

到3.6億年前,動物祖先登陸,最終在大約2億年前產生了第一批哺乳動物,哺乳動物的大腦表面有一個小的新皮質大腦皮層,負責哺乳動物行為的複雜性和靈活性。這個關鍵區域是如何以及何時進化的仍然是個謎,因為現存的兩棲動物和爬行動物都沒有相似結構。


科學閏土


我覺得這麼複雜的構造,絕對不是“突變”和“進化”出來的,而是“設計”出來的。


因為哪怕一點點的不合適也不行。


生物的複雜性,多樣性,但是總有相似性。


就像裁縫做衣服,一次次的打磨,一次次的修改,一次次的升級,但總有相似的地方。


就像程序員做產品,一遍遍的拷貝黏貼,一遍遍的修改,一遍遍的改善,產品再複雜,到了代碼層,也無非就是If,for,while,loop,無非就是+-*/


肯定會繼續問:誰設計的?

神吧!

神又是誰?

就是製造宇宙大爆炸的主吧。


跑者阿飛


我們人類有一系列祖先,可以一直追溯到近40億年前地球上剛出現生命時。大約10億年前,簡單多細胞動物分化成兩個群體:一類具有徑向對稱的身體構造(有頂部和底部之分,但沒有前後之分),另一類是兩側對稱,具有鏡像對稱的左右兩側和頭端。兩側對稱是大部分動物所採用的方式。然後,兩側對稱動物在大約6億年前分化成兩個重要的群體:一類進化成了今天絕大多數無脊椎動物,另一類的後代則是包括人類在內的脊椎動物。在這兩個譜系分化後不久,動物的身體構造突然出現了驚人的多樣性,即所謂的寒武紀生命大爆發(Cambrian explosion),該事件在5.4億年前到4.9億年前的化石中留下了明顯的印記。這種進化上的突然爆發奠定了複雜的人類眼睛出現的基礎。

哺乳動物眼睛在胚胎髮育過程中也提供了它自身進化起源的線索。加利福尼亞大學聖巴巴拉分校的本傑明·E·里斯(Benjamin E. R Eeseand)及其同事已經發現,哺乳動物的視網膜神經迴路最初有點像盲鰻,光感受器直接連接到輸出神經元。經過幾個星期之後,雙極細胞開始成熟並插入到光感光器和輸出神經元之間。如果脊椎動物的視網膜果真是如此進化而來——通過加入處理能力和成像元件,兩層結構的、控制晝夜節律的生理器官進化成視網膜,那麼哺乳動物的視網膜發育次序完全符合人們預期的模式。因此,似乎有理由認為,這一簡單的早期發育階段,代表了進化史上視網膜的雙極細胞迴路以及晶狀體、角膜和支撐肌肉出現之前的那個階段。

03年時,博士在德國海德堡與歐洲分子生物學實驗室的德特勒夫·阿倫特(Detlev Arendt)討論過,他的研究是人類的眼睛仍然保留了彈狀細胞光感受器的“後代”,但已經發生巨大的變化,形成輸出神經細胞來將信息從視網膜發送到大腦。該發現意味著,我們的視網膜包含了兩類光感受器細胞的“後代”:作為光感受器的睫狀光感受器細胞和轉化為輸出神經細胞的彈狀光感受器細胞。將一個現有結構打造出新用途恰恰解釋了進化是如何起作用的。

這些缺陷決不是照相機式眼睛不可避免的,因為章魚和魷魚獨立進化的照相機式眼睛沒有這些缺陷。事實上,如果我們有缺陷的眼睛是由工程師設計的,他們很可能會被解僱。從進化的角度看,這些看起來很荒唐的缺陷是遠古時一系列步驟的後果,每一個步驟對我們以前的脊椎動物祖先(即使是在它們能看到東西以前)都是有益的。我們的眼睛設計不是明智周全的——但從進化史上來看卻完全合乎情理。


EuroEyes約根森博士


地球上任何一種生物的存在,無不能讓我們驚歎,驚歎大自然的鬼斧神工。其實,何止人類的複雜器官,其他生物的身體複雜構造,也都是我們沒法想象的。所謂,“麻雀雖小,五臟俱全”,小小的麻雀,可以說大自然為了它能在地球上生活,不也給了它一套精緻的器官嘛。


鯉躍居


這一個問題,還沒有被達爾文的敵人或者崇拜者佔領,我來講幾個知識點吧。達爾文的進化論的關鍵點不是——想要哪裡點哪裡的特定進化,它的核心歸結起來就是萬物同源,所以,找石頭中間形態那是旁支小節,必須和基因學結合起來,大家才可以放心食用!

你說眼睛和大腦這兩個高級貨,當然更不例外。

眼睛的進化

達爾文首先做了個猜想,一開始的眼睛,首先就是兩個細胞組成的感光器官。一個感光細胞接受光線刺激並轉化為電化學信號,另一個色素細胞則遮擋來自另一面的光線使得動物能夠感知光線的來源方向。那麼為什麼要以細胞為基礎假設?這個目前仍舊懵逼。

但是有了這個結構,咱們就可以盤活這項研究了。因為,這樣的眼睛,真實的存在著,它就是渦蟲的眼睛。

接下來就是分子生物學和基因工程的事了。九十年代結合分子進化的新研究成果表明,所有的眼睛都是單次起源的產物。證據是主導所有動物眼睛的基因都是Pax 6基因家族的同源基因。簡單的說,所有的眼睛都起源於渦蟲那樣的最簡單的眼睛結構,並受到Pax 6基因家族的調控。而目前複雜的眼睛結構,就是自然界漫長的歲月中,隨著環境的變化,插入進化起到了決定作用,不斷的複雜起來。

引用現代眼睛進化發育學說的奠基人Walter J. Gehring 教授的成果來講,插入進化可以由三種途徑達到:首先是基因多倍化和之後的功能分化。然後是將其他已有基因整合進眼睛發育的調控通路中。最後通過已有調控基因的重組和拼接進行的基因修補形成新的形態通路。

按照數學模型推導,從最簡單的眼睛到最完善複雜的眼睛結構的演化所需要的時間,大約需要幾十萬年,比同學們想象中的時間要短得多,對吧?

大腦的進化

這個問題回答前,再強調一遍,所有科學都只回答“怎麼來的”或者“怎麼運作”,如果事實邏輯鏈能夠解釋一些目的性的問題,可以進行解釋。但明確意向性目的論述“為什麼”,那我建議你讀聖經。

好了,回到正確的答題道路上來。

遠古的單細胞生物沒有大腦,但它們擁有複雜的感知並且能夠對環境做出反應,多細胞動物的進化依賴於細胞能夠感知並對其他細胞做出反應,從而使多個細胞協同工作。這些多細胞的反應機制,和當前的大腦運行機制就有相似之處。

大腦的前身,在低等級的動物身上,我們一般可以找到腦神經節,例如扁形動物就有,軟體動物中,有的種類還非常發達。然後,從脊索動物到脊椎動物,特別是魚類的解剖學上,我們都可以找到明顯的證據。

由於大多數脊椎動物神經系統的最高中樞已經逐步轉向大腦皮質,它們執行著複雜的功能,在腦的進化過程中,以大腦皮質變化最為顯著。

脊椎動物端腦的進化起始過程都十分相似,神經管頭側的泡狀結構是各類動物端腦共同的發育基礎,隨著進化程度的不同漸漸顯現差異。我們通過比較爬行類、鳥類以及哺乳類動物可以知道,在功能與解剖結構上的相似性上, DVR的神經核團很可能是它們的同源器官。但是,進化過程中大腦皮質的構築發生了劇烈變化,尤其是在哺乳動物身上, DVR 經過進化形成了哺乳動物的新皮質,其結構與功能的複雜性和精確性大大增加。

但是從腦的進化機制以及基因調控的新皮質進化假說來看,目前存在兩種不同的理論,一種是重演學說,支持爬行類DVR 和哺乳動物視皮質和新皮質的具有同源性。

另一種是外來學說,它主要通過來自發育方面的證據,認為爬行類的背皮質可能是哺乳類同型皮質的同源器官。

這兩種理論目前仍舊存在很大的爭議。

結語

談到進化,其實真的枯燥和乏味。一大堆專用術語和名詞,閱讀感奇差無比,比起講外星人的神創故事,真的是毫無吸引力啊。


貓先生內涵科普


請容許用題主的眼鏡和大腦作為證據,這個最確鑿可見,毫不含糊。

如果題主的眼鏡和大腦是進化出來的,那麼,這個世界上只有題主一個人最清楚是如何進化的,外人回答就是瞎扯了。

事實是,題主的眼鏡和大腦,由上輩的生命基因遺傳而成。

那麼,一代一代的上輩,直到第一個上輩,相信題主和所有人一樣,說不清楚自己的第一代上輩生存在什麼時間,生存在什麼地方。但有一點可以肯定,這個第一代上輩一定存在,否則,不可能有題主出現。

我們假設每代上輩相隔20年,假設第一代上輩與題主相隔5000萬年,那麼,從第一代上輩到題主,總共繁衍遺傳了250萬代。

250萬代(第一代的上輩除外),也就是250個父親,249萬9999個兒子(題主是最後一個),其中任何父親,假設生出與自己的大腦和眼睛徹底不同的兒子,結果會怎麼樣?常識告訴我們,要麼,從這位兒子開始,他的上輩與下輩不屬於同一個物種;要麼,這位兒子作為他上輩的終結。否則,題主可以自己想象一下,讓你的那一代上輩開始同他的父親不一樣的大腦和眼睛,他肯定不幹。

唯有250萬代上輩,每一代與下一代都是同樣生命特徵的眼鏡和大腦,才會有題主這樣的眼鏡和大腦。

題主是這樣,每個人也是這樣,所有的每個人構成人類,所有的人都這樣,沒有例外。若任何一代出現變化,則後代不復出現。既然後代出現,則前代一樣,非常簡單的事實。


通用漢語研推


進過過程大概是這樣的:


  • 生物是先進化出機械感知,也就是觸覺,溫度,壓力感應等等。

  • 接著是嗅覺,非接觸性化學分子感知。

  • 然後是聽覺,可以在空間傳播的震動。

  • 再後來聲音表達配合了聽覺,比如震動翅膀和甲殼,摩擦腳毛,縮放體內氣囊等等。

  • 那麼複雜的視覺,用來捕捉光子必然是最後發展。

  • 進化就像一個軍備競賽,落後就要被淘汰。

  • 最終大腦的神經網絡結構勝出。


進化證據:為什麼眼睛只能看見一定頻譜之內的可見光?


事實上,這是因為生命誕生於海洋,可見光在海水中有很好的穿透性。那麼,在海洋中的生物體,它們的進化競賽,就會向著藉助可見光的方向發展。另外,章魚的眼睛構造是與其它生物的眼睛構造不同的,這是兩條獨立進化路徑的產物。


最後,進化的手段是——迭代試錯,適者生存——所以,在漫長的進化史上,多麼複雜的功能都可以構建出來。


但這種模式會有一個特點,與精心設計完全不同的是——夠用就好,因為適應了環境進化就會保持穩定平衡,直到環境驅使改變。因此,我們會發現進化的很多功能,會有各種不完美與滯後的現象——甚至眼睛和大腦也是如此。


例如:為什麼人類的眼睛沒有“集成”貓科動物的夜視能力?為什麼沒有“產生”紅外成像的能力?——因為目前已經夠用了。


scottcgi


看紀錄片,眼睛的形成真是奇蹟,不知道怎麼整得,很早很早以前,一個史前原始生物得到了一段葉綠素基因片段,於是這個遠古生物有了感覺光線的能力,這讓他逃避捕食尋找食物的能力大大增強,於是大量繁衍,成為史前生物主流。然後簡單的感光單眼進化出來複眼,突變出眼珠。。。沒有葉綠素就沒有眼睛,這真是一個生物奇蹟。


三俗兒82488335


達爾文的進化論,物競天擇,適者生存,可能只是有一些生物產生了變異,出現了一些器官,而就是因為這些器官使生物更好得適應環境,那這種性狀就保留下來了,再加上長期的進化,構成了一個複雜的生命體


努力的小豬豬p


經過長時間的用進廢退進化出來的


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