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为什么很多动物的大脑都长在头部而非胸腔里?

人的大脑为什么不长在胸腔里,或者说大多动物大脑都在头部,为什么?

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瞻云,科普人,擅脑洞。公众号「瞻云」
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说出来可能你不信,极有可能是阳光决定了你大脑所长的位置。

先让我们来看看大脑是怎么长出来的吧。

30 亿年前,单细胞动物依靠应激性应对外界刺激,尚未有神经系统。

8 亿年以前,多细胞动物有着专门接受刺激的特殊细胞,这些细胞聚集起来,形成了原始的运动“器官”和感觉“器官”。随后最早的神经系统出现了,把这些细胞串联成了一个整体,演化出了腔肠动物(现已改称刺胞动物)。

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它们具有丝状突起的神经细胞,构成原始的神经网络,只是单层(如水螅)或者两到三层。它们的神经十分的简单,没有高级神经元的突触连接,没有神经节,也没有神经中枢。

它们的信号传导是无定向的,刺激身上的任何一处地方,都能引起全身性的反应。

也就是说腔肠动物的神经系统,几乎是均匀分布的,可以说是没有“大脑”。

这样原始的神经系统,自然难以适应后面的物种大爆发时代。在后来的演化过程中,大量水母配备了毒素。例如箱水母,僧帽水母、狮鬃水母……大多数水母,具有复杂的综合性毒素,可造成内脏、神经系统、心血管等各方面的损伤。

利用毒素等等适应环境的策略,这些水母夸过数亿年的时空,如同活化石一般,依旧生存在海洋深处。

而在原始的海洋内,不能很好适应环境的腔肠动物,要生存下来则只能“改造”自己的神经系统。

原始腔肠动物,一支演化成了水母类,一支演化成了原始的两侧对称动物,分化成了原口动物和后口动物两个大门类。

原口动物演化成无脊索动物,后口动物演化成脊索动物。

蠕形动物是早期两侧对称动物,原始的三胚层。这类动物的神经开始往头部汇聚,形成了原始的“脑”,然后在“脑”后形成纵横的神经索,但比起高级神经系统来说,它们的神经细胞是分散在神经索中的。当纵神经索减少,则形成梯式神经系统,出现最早的神经中枢。

例如扁形动物:

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虽然相比起原始腔肠动物,它们的运动能力显著提升,但比起后来的动物,依旧十分的原始。

扁形动物的神经为什么会集中“头部”呢?

很大的原因,是因为“眼睛”的出现。

视觉细胞集中的前段,便是扁形动物的“头部”。

在扁形动物中,有一个叫做 PAX6 的古老基因,这个基因令扁形动物头部,出现了能够汇聚色素的凹陷。这个凹陷,可以说是,眼睛的最初形态。

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扁形动物作为两侧对称动物,左右分别一个眼点,无论捕食或者躲避天敌,是能保证生存的最少眼睛数目。

PAX6 的基因源头,大致能追溯到最初的两侧对称动物。学界一般认为,像浮浪幼虫的原始腔肠动物分别演化成了腔肠动物和两侧对称动物。

为什么后来的两侧对称动物,都具有 PAX6 基因?

我们可以这样认为,没有 PAX6 基因,不具有更强感光能力的动物,都被吃灭绝了。

原始的节肢动物、头足动物,以及脊索动物,循着 PAX6 基因提供的原始模板,打造了三个完全独立的视觉进化之路。

实际,追本溯源的话,原口动物的嘴相当于我们的肛门,而我们的嘴相当于原口动物的肛门。

但无一例外,眼睛所在的位置,都是头部。

因为眼睛的进化过程,也是神经系统在头部高度集中的过程。

而生物演化,是一个不断迭代的过程,头部雏形出现之后,几乎就没有啥回头路了(尾索动物,表示抗议?)

原口动物中的一支演化出了链状神经系统,这便是后来的环节动物(例如蚯蚓),以及节肢动物(例如三叶虫、螃蟹、蝗虫等)。

发达的链状神经系统,是演化史上的一大飞跃,由此缔造了繁荣的寒武纪时代。

链状神经系统,分成中枢和外围两个部分。

脑和腹神经索属于中枢神经系统,各节神经从脑延伸到身体各个部分形成外围神经系统。在神经系统中,神经细胞汇聚成神经节,神经纤维聚集成束。

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和原始的蠕形动物相比,链状神经系统中,“大脑”已经处于优势地位,腹神经索受到“脑”的控制。为了足够快速的神经传导,节肢动物往往形成巨大的神经(巨神经纤维)。而且有研究证明,节肢动物的大脑已经能形成记忆。

正是因为链状神经系统前所未有的优越性,在寒武纪时代,发现出了诸如海蝎子之类的庞然大物。它们不断壮大自己的神经纤维,以支撑庞大的体魄。

也是因为发达的神经,令节肢动物有着较为发达的眼睛。

当然,原口动物中的头足纲,在后来演化出更为发达的神经系统,同时章鱼类更是拥有几乎“完美”的眼睛,被一些现代人称为出自上帝之手。

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其实头足纲动物并没有什么秘密,它们是完全自然而然的继承了 PAX6 基因提供的眼睛进化模板。眼眶位置凹陷,感光细胞汇聚,吸收更多的光线。一些细胞填入凹陷中,或降低或提升了视觉能力。降低视觉的灭绝,提升视觉的得以繁衍生息。

填入凹陷的细胞,令视觉能力越来越强。最终演化成了晶状体、玻璃体,以及虹膜……

远在单细胞动物身上,就存在眼点,原始动物的神经在“眼睛“周围集中”。眼睛所在的位置,基本能确定大脑的方向。

除了海星之类的辐射对称动物之外,两侧对称动物的形体,眼睛只能在某一个方向。

薛定谔在《生命是什么》一书中,提出了生命以负熵为食的观点。生命体,也是热力学上的耗散结构。不清楚概念的,可以简单理解为:这是一种动态的稳定有序结构。

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薛定谔:我不仅仅只有猫

生命体内能量消耗,会不断产熵,那么就需要摄入负熵(食物等)。这便是新陈代谢,如果新城代谢被破坏,生命体也就宣告死亡。

那么,这和眼睛的演化有什么关系?

因为生命体作为耗散结构,也是最节能高效的。如果两只眼睛帮助摄入的负熵比起能量消耗产生的熵比值最高,那么一只眼睛或者更多的眼睛,都会让生命处在更不利的竞争环境之中。

简而言之,更多的眼睛需要更多的能量消耗,就需要摄入更多的食物。哪怕一开始有扁形动物演化出了更多的凹陷眼点,在食物匮乏的时候,它们可能率先灭绝。

总的来说,同一个端的两只眼睛,几乎是生物进化最节能的选择。

本人甚至怀疑,正是因为眼点所在位置的不同,造成了原口和后口动物的不同分化。(注:这只是本人观点,无任何依据。)

接下来看一看后口动物到人类的神经(大脑)演化过程。

人类追溯的最早脊索动物祖先是皮卡虫。

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这种动物一看就没有什么攻击力,只能在夹缝中生存。

这一支动物,虽然同样是把神经汇聚在了头部,但形成的并不是索状,而是管状。这些管状神经系统,形成了原始的脊索,于是脊索动物出现了。

和节肢动物最大的区别在于,节肢动物的腹神经系统在腹部,脊索动物的管状神经系统在背部。前者是实心的,后者是空心的。

空心的神经系统,令神经组织具有更大的空间和面积。

虽然在一开始,管状神经系统,相比起链状神经系统,优势并不十分明显。但对于未来的演化前景来说,管状神经系统是远远优于链状神经系统。

随着头部神经的进一步集中,演化出了昆明鱼,早起鱼类开始出现了。

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但在奇虾的时候,早期鱼类苟延残喘,由于输于体型和力量,大量早期鱼类灭绝于奇虾的口中,唯有拥有更高级神经系统的鱼类,才得以繁衍生息下去。

在演化过程中,管状神经系统头部,渐渐形成了复杂的脑部。

而神经细胞轴突外面也形成了一层髓鞘,髓鞘具有绝缘性,保证了神经传导的高效性。髓鞘的神经传递速度高达 100 米每秒,髓鞘是发达神经系统的地基,而节肢动物的神经传导速度只有 2 米每秒。4.5 亿年前的星甲鱼身上,第一次出现了髓鞘。

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有了发动的神经系统,鱼类变得越来越灵活,为了保证运动的平衡,配套演化出了偶鳍,这便是高等脊椎动物四肢的原型。

而那些没有进化出髓鞘的脊索动物,便只能如同尾索动物一样,在海洋里猥琐生存。明明是动物,却犹如植物一样,营固着生活。哪怕在后来的数亿年中,种类繁多,进化得五花八门,但却永远在死胡同里打转而已。

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尾索动物:海鞘

不过我们的祖先,终究属于硬刚的那一派。

不直面惨淡的人生,不经历大浪淘沙般的磨砺,就没有后来的辉煌。

正因为高度发达的神经系统,足以支撑更庞大的躯体,原始脊椎动物的体型,迅速大型化,并很快夺走了节肢动物海洋和陆地的霸主地位。

这得益于神经系统的先进性,才能演化出对环境更强的适应力(例如体型和力量更大,攻击力更强)。题主的问题,则明显是反过来,把攻击力的强大当成了神经系统发达的原因,属于典型的因果倒置。

随着进一步演化,我们的鱼类祖先形成了五个相对独立脑泡:即,前脑、间脑、中脑、延脑,以及小脑。

发达的大脑,配套着先进的血液体统,呼吸系统,令我们有了登陆的基础。

演化至两栖动物时,前脑形成了两个半球。

  • 这是青蛙的大脑:
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  • 这是人类的脑干和小脑:
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二者极其的相似。

在生物演化路上,往往只能做加法(犹如胚胎发育过程中,重走一遍生物演化之路)。

再演化成原始爬行动物时,大脑皮层出现了,神经系统演化到了一个崭新的阶段。

可以说,爬行动物的大脑,才是真正的有机一体的最高指挥者和调控者,它形成与 3.5 亿年前。

很快,其他动物都不足以和原始爬行动物竞争,于是内部竞争出现了。

它们的后裔,根据颞颥孔的数目,分成了合弓纲和蜥形纲。合弓纲动物又被称为单孔类,具有一个颞颥孔,而蜥形纲具有两个颞颥孔(双孔类),或者无孔。

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双孔类动物,能够把下颌张得更大,并且附着发达的肌肉,在 3 亿年前的陆地上,比起单孔类更加的具有适应性。

主龙类动物迅速称霸,并最终演化出了恐龙,进入了蜥形纲称霸的时代。恐龙体型大型化之后,特化出了中空的骨骼,又为其一支后裔飞向天空留下一条后路。

虽然合弓纲动物,也演化出了诸如 2 吨的水龙兽这样的大型动物,但却被挤压在食物链的边缘,草食为生。

二叠纪大灭绝之后,合弓纲中的大型盘龙类(哺乳动物祖先)悉数灭绝。小型盘龙类动物,则被压迫在食物链的低端。

为了繁衍生息,提高后代的生存率,它们渐渐演化出了胎生能力。

确切的说,没有演化出哺乳能力的哺乳动物祖先,都灭绝了。

1.95 亿年前的吴氏巨颅兽,是所有哺乳动物的共同祖先。

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但这个时候,它们的神经系统相比起恐龙也并没有多大的优势。但在残酷的生存竞争中,它们的大脑开始出现了新的变化,出现了沟回,扩大了大脑皮层的表面积,大脑皮层渐渐演化成了高级指挥中心。

正是因为艰难的生存条件下,哺乳动物必须斗智斗勇,才点出了大脑皮层沟回。

虽然 6500 万年前的天降陨石,给小型哺乳动物的发展提供了千载难逢的机会。但即便恐龙没有灭绝,哺乳动物也会迎来辉煌,只不过这个时间,可能会更加的漫长。但既然恐龙能进化出鸟类,如果大型恐龙没有灭绝,他们的后裔又会是怎么样的,是否比人类更加的适应环境,也是未知的。

随着哺乳动物崛起,首先称霸陆地的是始祖象和蒙古安氏中兽,而人类的祖先,中华曙猿重量只有只有 15 克 -50 克,可谓是卑微到了极点。

不过由于生活在树上,远离天敌,在长达千万年的演化中,早期灵长类体型也逐渐大型化。

一直到 2000 万年前,哺乳动物进入全球海陆繁荣的时代,灵长类的体型,才有了当今灵长类的大小。不过,它们的智慧和其他哺乳动物,也并没有多大的区别。

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然而这个时期,青藏高原开始隆起,改变大气环流,造成非洲环境遽变,人类祖先的生存环境,直接进入了地狱模式。为了适应生存环境,他们开始频繁下地。

哪怕 1200 万年前的森林古猿,依旧生活在森林里,但已经出现了茁壮的下肢。

随着环境进一步恶劣变化,它们走出森林,自然而然地解放了双手,一条崭新的进化之路由此展开。我们没有其它动物,在力量、速度甚至体型上的优势,那就只能点智力技能。

随着脑容量的增大,古猿人出现并很快繁荣。

但在冰河时代,物资缺乏,出现了残酷的内部竞争。

一场内部的竞争,让直立人演化成早期智人,让早期智人演化了现代人(晚期智人)。

表现在神经方面上,更是脑容量上的军备竞赛。

哪怕在强壮,速度再快,任何不能点出更高智慧的人种,全部在演化史上灭绝。

现代人脑容量 1500ml 左右,早起人种脑容量 700-1000ml 不等,而南方古猿只有量 450-530ml,猴子的脑容量低到 200ml。

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生命史上的每一次进化(演化),就意味着没有出现此类性状的亲近的灭绝。从 200ml 的脑洞量到 1500ml,多少人种的灭绝。

所谓智慧的演化,都是被逼的。

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所谓智慧的演化,都是被逼的。

大脑之所以在头部,至少在 8 亿年前,PAX6 基因出现的时候,就已经确定了。

而 PAX6 基因也决定了感光细胞的位置,从这样的角度来说,说是因为光决定大脑的位置,也未尝不可。



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