生命起源于海洋，當水生動(dòng)物選擇向大陸擴張棲息地，這便意味著(zhù)他們需要將自己的鰭替換成四肢，將鰓替換成肺，以便能夠適應新的生存環(huán)境。要知道，這可不是找巫婆以失去說(shuō)話(huà)能力和喝下一瓶渾濁的藥水那么簡(jiǎn)單。選擇這種進(jìn)化方向不異于現代的任何科學(xué)發(fā)明。
而這種陸生遷徙說(shuō)一直沒(méi)有得到確切的理論支持和廣泛的觀(guān)點(diǎn)統一。在一項最近的研究中，鰭和鰓的變化并沒(méi)有完全描繪出當年水生動(dòng)物向兩棲類(lèi)轉變的全部信息。自海洋來(lái)到大陸，一定有什么重要的東西吸引著(zhù)他們前赴后繼的穿越這種籓籬--信息。在空氣中，我們的眼睛能夠獲得更長(cháng)的視距，增加的視野被稱(chēng)作信息壓縮線(xiàn)(informational zip line)，能夠幫助上古生物尋找海岸線(xiàn)附近的食物源。
西北大學(xué)生物神經(jīng)工程學(xué)家Malcolm MacIver解釋了了壓縮線(xiàn)的概念，它也是驅動(dòng)生物四肢變化的源動(dòng)力之一，這使得部分水生生物能夠在陸地上進(jìn)行短暫的停留和移動(dòng)。而更深遠的影響在于，這種能力(開(kāi)闊視野)促使的生物能夠完成更為先進(jìn)的認知和復雜的運動(dòng)規劃。如果僅僅是通過(guò)化石進(jìn)行分析是很難講我們的四肢進(jìn)化與信息所聯(lián)系起來(lái)的，而促使我們從海洋登陸的原因竟然是信息。
他與Lars Schmitz(克里蒙特學(xué)院聯(lián)盟的古生物學(xué)家)對此進(jìn)行了數學(xué)建模，以便探索究竟多大的信息量才會(huì )使得生物在上古時(shí)期對自身進(jìn)行嚴酷的改造，進(jìn)入滿(mǎn)是空氣的大陸生活，其中至關(guān)重要的一點(diǎn)便是眼睛的大小。他們在實(shí)驗中將這種假設稱(chēng)為buena vista，相關(guān)的研究發(fā)表在《Proceedings of the National Academy of Sciences》。
MacIve目前的工作已經(jīng)受到業(yè)內專(zhuān)家的肯定，而相關(guān)的古生物學(xué)研究也一直在對化石中能夠反映生物眼球大小的數據進(jìn)行測量，之前他們也很好奇這系列的數據能夠反饋出動(dòng)物視野的何種變化趨勢?；始耀F醫學(xué)院的John Hutchinson稱(chēng)，雖然這種古生物學(xué)的測量數據早已有之，但是這種定性觀(guān)測只能在宏觀(guān)進(jìn)化尺度上表現出特定的定量變化，并沒(méi)有涉及認知概念。
水下狩獵
早在2007年MacIver 就首次提出了他的假說(shuō)，當時(shí)他還在南非研究黑鬼魚(yú)(black ghost knifefish)。這種特殊的電魚(yú)能夠通過(guò)在夜間發(fā)出電流來(lái)感知周?chē)沫h(huán)境。MacIver類(lèi)比這種特殊的魚(yú)類(lèi)超能力像是人類(lèi)的雷達系統。作為一名博學(xué)多才之士，以及對大自然的無(wú)限好奇之心，秉承所掌握的機械、數學(xué)、神經(jīng)和古生物學(xué)知識，他自己打造了一個(gè)機械版的刀魚(yú)，當然，重點(diǎn)在于這條機械魚(yú)也具備類(lèi)似的電感知系統，它被用來(lái)進(jìn)行黑鬼魚(yú)奇特的感知能力和運動(dòng)能力的相關(guān)研究。
通過(guò)調節黑鬼魚(yú)對周邊環(huán)境感知域的調節，來(lái)計算黑鬼魚(yú)潛在能夠捕獲的水跳蚤能力，他發(fā)現黑鬼魚(yú)的捕食感知能力其實(shí)與普通依靠水下視覺(jué)進(jìn)行捕食的魚(yú)類(lèi)差不多。但是這其中大有秘密，黑鬼魚(yú)需要通過(guò)釋放電信號來(lái)感知周邊環(huán)境，這意味著(zhù)更多的能量消耗(想象成主動(dòng)感知，對比被動(dòng)感知視覺(jué))。而他所作出的假設中，黑鬼魚(yú)應該比依靠視覺(jué)進(jìn)行感知的普通魚(yú)類(lèi)有著(zhù)更小的感知域?？赡苁怯嬎闶д`？不過(guò)他立馬想到水對光線(xiàn)的吸收和折射會(huì )導致視野的梯度下降--這便是關(guān)鍵。在理想情況下，以清水為例，光線(xiàn)在水中的衰減距離(attenuation length)：水在被吸收和折射前所傳播的距離大約在10cm到2m之間。但是在空氣中，光線(xiàn)一般能夠傳播25-100km，當然也要考慮空氣濕度的影響。
受此因素的影響，水生生物很難通過(guò)眼部進(jìn)化(增大)獲得更多的生存便利，同時(shí)會(huì )喪失很多，也就是水生生物不會(huì )通過(guò)點(diǎn)擊眼部技能樹(shù)獲取技能收益。而眼部的進(jìn)化需要消耗大量的能量來(lái)維持，光感細胞、視神經(jīng)以及大腦相關(guān)區域的神經(jīng)細胞都需要消耗大量的能量來(lái)維持視覺(jué)感知。雖然通過(guò)擴大眼球以及對應的器官部分能夠提高生物的視覺(jué)感知能力，但是從整個(gè)生存邊際曲線(xiàn)上看，這種投入回報比十分低廉。MacIver類(lèi)比單純的增大眼球相當于在霧中開(kāi)大燈，其實(shí)并不能提高多少水下視野。
但是，一旦切換道陸生，眼球的增大卻能夠獲得異常優(yōu)厚的視野擴展比例。
MacIver 由此推斷，在水陸模式切換的過(guò)程中，將帶來(lái)眼球規模的巨大變化，于是他找到了進(jìn)化生物學(xué)家Neil Shubin，后者所在的團隊發(fā)現了一塊至關(guān)重要的魚(yú)類(lèi)化石-Tiktaalik roseae，來(lái)自于 3.75億年前的這種魚(yú)類(lèi)同時(shí)長(cháng)有肺和鰓。MacIver 對此異常興奮，因為古生物學(xué)家們手中有一大堆數據，其中就有關(guān)于化石眼球大小的相關(guān)數據，只是他們并沒(méi)有看出其中的玄機，于是MacIver決定獨自展開(kāi)研究。
鱷魚(yú)的眼球
MacIver還有個(gè)有趣的假設，但是需要相關(guān)的論據支撐。于是他與Schmitz組隊，后者是一名經(jīng)驗豐富的四足動(dòng)物化石研究者，他對這些化石的眼框大小了如指掌，之前提到的共有肺和鰓的魚(yú)類(lèi)化石便是其中之一，接著(zhù)他們便開(kāi)始思考如何尋找支撐假說(shuō)的推理鏈和支撐鏈。
他們首先遍歷了之前關(guān)于化石眼框部分的數據來(lái)尋找能夠支撐眼框大小變化的部分，間接代表眼球的大小，這兩者成正比。他們一共收集了59個(gè)標本頭骨數據，這些化石均為正在進(jìn)行水陸過(guò)渡期四足動(dòng)物化石，這樣除了眼球大小，他們還能估算大腦的大小。接著(zhù)他們將相關(guān)數據導入電腦中的模型來(lái)模擬在物種在進(jìn)化的延續中眼框大小的變化情況，以便獲得遺傳特性相關(guān)的推論。
他們確實(shí)發(fā)現了生物在水生-陸生轉變周期內眼球十分顯著(zhù)增大，大約是三倍左右。在轉變前，化石的眼球平均直徑大約是13毫米，成功登錄后大到36毫米。此外，這些生物雖然來(lái)到陸地，可是在不久之后又回到了水中，就像墨西哥洞魚(yú)Astyanax mexicanus。他們的眼球最終又變回到14毫米左右，就像他們來(lái)到大陸之前一樣。
現在還有一個(gè)未解之謎，最初的假設中MacIver 認為只有生物完全登錄之后，眼球才會(huì )開(kāi)始發(fā)生增大現象，因為是在開(kāi)始陸生之后的捕食條件驅動(dòng)了這一進(jìn)化方向。但是從化石的數據上看來(lái)，這種增長(cháng)以及在水陸切換的過(guò)程中就已經(jīng)完成，甚至要早于魚(yú)類(lèi)的鰭進(jìn)化成爪爪。那么，陸生條件便不完全是驅動(dòng)水生生物登錄的主要因素了。
通過(guò)重新審視相關(guān)的數據，他們呢發(fā)現了另一個(gè)特點(diǎn)，這些生物的眼框位置在轉變過(guò)程中也不斷發(fā)生變化，從最初的顱骨兩側逐漸移到頭頂，并且在頭骨頂端形成兩個(gè)凸起。另外，在耳朵附近的呼吸孔也發(fā)生了相關(guān)的變化，變得容易接近水面進(jìn)行呼吸。簡(jiǎn)而言之，他們的頭骨變得類(lèi)似于鱷魚(yú)。一瞬間，所有的矛頭都指向了正確的結論，兩棲--在水中生存時(shí)就獲得陸生視角。以最小的進(jìn)化代價(jià)獲取在陸地捕食獵物的能力。
所以，在當時(shí)采用類(lèi)似于鱷魚(yú)的捕食方式便是進(jìn)化到陸生的魔法藥水。就像數據所表明的，在完全成為陸生生物之前，他們的四肢還尚未變化完全。
這一結論與劍橋大學(xué)古生物學(xué)家Jennifer Clack的研究，在名為 Pederpes finneyae的化石上的發(fā)現不謀而合。這塊化石中的生物還并非完全陸生，但是是已知最為古老的能夠在陸地行走的動(dòng)物化石之一。從水生到陸生的過(guò)度階段，這顆化石中的生物被認為可以同時(shí)在水中和陸地生活。
為了對眼球的增長(cháng)進(jìn)行估算，MacIver希望找到陸生生物視野的極限。通過(guò)改進(jìn)一個(gè)現有的生物模型，除了調整眼球大小，綜合考慮其他相關(guān)因素。在水中，擴大眼球大約只能在正常水生環(huán)境增加6-7米的視野，而在陸地上則能夠擴大額外的200-600米。
通過(guò)測試不同條件下的模型仿真，白天、夜間、沒(méi)有月光的夜間、星空、清水、渾水等，在任何條件下水生生物擴大眼球體積都不是明智的進(jìn)化之選。而無(wú)論是白天還是夜間，獲得更為廣闊的視野都是有利的--捕食獵物，躲避天敵。
利用定量工具來(lái)解釋呆板的化石記錄是相對新穎的方式，大量的進(jìn)化生物學(xué)家和古生物學(xué)家都開(kāi)始借助類(lèi)似的方法。
大量的生物學(xué)家通過(guò)觀(guān)測化石來(lái)推論化石中的生物如何匹配現實(shí)環(huán)境。在發(fā)現該論文發(fā)表之后對其中的數據和相關(guān)的仿真贊賞不已。本章剩余部分著(zhù)重描述新方法在生物學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的推廣，不在此贅述。
新的觀(guān)點(diǎn)
而在陸地上，我們能夠在更遠的距離上進(jìn)行規劃，做出不同的條件判斷和捕食策略和逃跑策略。MacIver推測在登錄初期，突變的水生生物仍然采用類(lèi)似直覺(jué)的捕食方案，但是隨著(zhù)陸生生活的延長(cháng)，他們的捕食和逃跑策略將變的額外復雜和精巧。這時(shí)，精神世界存在著(zhù)另一場(chǎng)博弈，這可能才是真正的智慧之源，認知行為的初始-而非被傳唱的智慧果。
其他的器官同樣在接下來(lái)的認知發(fā)展中各種獨當一面，這是一件十分有趣的事情，聽(tīng)覺(jué)如何發(fā)展？嗅覺(jué)在陸生之后又變的多么重要？來(lái)自康奈爾的進(jìn)化生物學(xué)家也對此十分著(zhù)迷，其中一個(gè)例子就是大馬哈魚(yú)通過(guò)嗅覺(jué)溯流而上。
Hutchinson 也贊成感官在我們進(jìn)化過(guò)程中所起到的引導作用，他們把研究擴展到除視覺(jué)之外的地方。雖然嗅覺(jué)和味覺(jué)在水中就已經(jīng)被古生物所掌握，聽(tīng)覺(jué)在變遷的初期變化要僅次于視覺(jué)。
他們希望接下來(lái)探索人類(lèi)的進(jìn)化方向，希望找到能夠激發(fā)人類(lèi)進(jìn)化的契機-“paleoneurobiology of human stupidity”。人類(lèi)能夠通過(guò)短期內的威脅，做出遠期的規劃。但是仍然有很多局限的地方，這種規劃可能只是季節性的，甚至是可達數年的時(shí)間，但是和地質(zhì)時(shí)間尺度比起來(lái)只是滄海一粟。他希望能夠通過(guò)類(lèi)似研究尋找我們認知的盲點(diǎn)，接著(zhù)便是突破。
聯(lián)系客服
