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鱼类登陆,眼睛先行

时间: 2017年03月28日 | 作者: ED Yong | 来源: Atlantic
在长出强壮的腿之前,最初的水陆过渡物种的眼睛就已大幅度变大。


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提克塔利克浮上水面窥探(MalcolmMacIver)

 

在约三亿八千五百万年前,鱼类开始进军陆地。一段时间后,它们扁平的鳍逐渐进化为粗壮的腿,最终变为足和趾。它们不再在水中徜徉,而在坚实的地面上行进。最终,这些拓荒者中出现了四足动物,即拥有四条腿的动物分支,包括爬行动物、两栖动物和我们这样的哺乳动物。从水中到陆地的转变是这样地激动人心,显而易见地,人们必然会关注它们的腿,因为它们是变化最明显的器官,四足动物也因之得名,也因之开启了它们的未来。

 

但来自西北大学的 Malcolm MacIver 却对它们的眼睛更感兴趣。

 

最早的四足动物具有比其鱼类祖先大许多的眼睛。MacIver 之前一直以为眼睛的变大发生在它们进驻陆地之后,使它们能看得更远以便规划路径。“那是无知的猜测。”他后来说道。事实上,在研究大量水陆过渡动物(已灭绝的物种,鱼类和四足动物间的过渡物种)的化石后,MacIver 发现大眼睛先于步足进化出来。

 

随着眼睛变大,它们的位置也挪到了拥有者的头顶,使它们能像现在的鳄鱼那样浮上水面窥探。这些性状使它们能看得比其水生祖先更远、看到更大范围的空间,进而可在水滨掠食。可能是这种能力使它们有了完全离开水体的动力,推动它们引以为傲的足肢的进化。也许,是眼睛而不是腿,引领它们向陆地入侵。可能正如 MacIver 所指出的,“通向陆栖的方法是首先变得像只鳄鱼。”

 

 “这项研究有助于解释为水而生的鱼类是怎样被诱惑上岸而在此过程中又不失去其竞争优势的。”宾夕法尼亚大学的 Lauren Sallan 说道,她未参与此项工作。

 

眼睛不会变成化石,但你能通过测量头骨化石的眼窝估测它们的大小。MacIver及其同事,包括眼部化石专家 Lars Schmitz,对从鳍鱼类到水陆过渡物种再到有足的四足动物的59种物种的头骨进行了测量。结果表明该类群的眼睛在1200万年间增大了近三倍。怎么会这样?

 

眼睛是奢侈的器官,供养它们得消耗大量能量,如果它长得大就需要更多了。假如鱼愿意付出这些代价,那么必然是由于眼睛会给它带来一些优势。直觉上似乎大眼睛能让你看得更清楚或更远,但 MacIver 的团队发现并非如此。通过模拟化石物种生活的几种浅层淡水环境——从白天到夜晚、从清水到浑水,结果显示在水下大眼睛只带来宝贵的一点点视力提升。但一旦这些动物浮上水线窥探,就大不相同了。在空气中大眼睛能看到比其水下所见远10倍的地方、扫视大500万倍的区域。

 

在空气中,大眼睛也更容易收回成本。短程视觉的捕食者必须不断地四处移动来探查近在眼前的区域,而大眼睛的物种却能发现远方的食物,收回它们本将在觅食上花费的能量成本。“高瞻远瞩带来免费午餐,” MacIver说,“无需移动,只需四处看看就能探查其他地方。”

 

这些早期的猎手会看到很多美味的猎物。蜈蚣和马陆数百万年前就已殖民陆地,而从未遭遇水陆过渡型捕食者。“我可以想象到像提克塔利克那样的家伙像只鳄鱼似的潜伏着,等着一条巨型千足虫经过时,就一通猛咬,”MacIver说,“陆地上所有无脊椎动物都无法与之对抗。”

 

这就是 MacIver 认为可能发生过的事:在浅层淡水河流和湖泊中,一些鱼类逐渐将它们的眼睛移到头骨顶部,以更好地利用洒下的日光。这发生在泥盆纪,那时地球氧含量水平正在下降。像提克塔利克这类生物为了努力在水中获得足够的氧气,便在头顶、眼睛后面进化出呼吸孔。它们开始更频繁地浮出水面,以捕食在水域附近游荡的猎物。一开始它们只能看到猎物模糊的轮廓,但即使是眼睛微小的变化也可以产生可观的收益。随着时间的推移,它们的眼睛渐渐变大。最终,它们的肢体也改变了,使它们进一步开拓这个新世界,一个不仅有坚实的土地,还有更广阔空间的世界。

 

该理论部分是推测性的,但它符合 MacIver 团队从它们的化石中发现的规律和得到的数据。来自剑桥大学的 Jenny Clack 是研究四足动物进化的专家,她很高兴该团队测量了眼窝尺寸,其他科学家注意到了却从未如此详细地记录。“但眼窝尺寸并不总是与眼球尺寸相关,查看巩膜骨环(在许多动物的眼睛周围发现的一块骨盘)更加准确。”她说道。MacIver 反驳说:“在我和 Schmitz 研究的化石中,眼球和眼窝间关联的非常好,且骨环的存在与否似乎并不影响我们的预测。”

 

 “他们对一个老问题采用了非常有创意的新方法。” 来自芝加哥大学的 Neil  Shubin 说道,他是提克塔利克的发现者。大多数研究四足动物进化的人都聚焦于在它们的四肢和下颌。相反,MacIver 团队关注感觉器官——眼睛。并且他们猜测眼睛与另一个关键器官——大脑的进化有关。

 

MacIver 的想法是,远程视力改变了动物可从中获益的智力类型。在水下,鱼就像司机沿着浓雾重重的路疾驰。它只能对近在眼前的东西作出反应,正所谓“生命来得如此突然”。但行于陆上的四足动物可以扫视大得多的区域。某种程度上,大眼睛让你看见更遥远的时空。如今,像计划、策略思维和复杂决策这类能力带来更多收益。动物变得不再那么被动,而更加主动。

 

他将这称为 Buena Vista 俱乐部假说。“也许拥有更大的意识容量允许我们打断连接意识和行动的非条件反射,而将思想从行动中分离出来,”他推测道,“现在你正在为你所处的环境挑选最好的想法,虽然它看起来就好像是原始意识。”

 

撰文 ED Yong

翻译 许雅澜

审校 陆妍婷 谭坤

 

文章来源:

https://www.theatlantic.com/science/archive/2017/03/in-the-invasion-of-land-big-eyes-came-before-strong-legs/518883/


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