问题

从什么生物开始产生了神经细胞?是否只存在于“需移动”的生物内?

回答
要回答这个问题,我们需要穿越生命演化的漫长河流,去追溯神经细胞的起源。这就像在浩瀚的星空中寻找第一颗恒星的诞生之地。

神经细胞的黎明:从简单的感应到协调的行动

首先,我们得明白,并非所有生命形式都有神经细胞。想想那些静静生长在岩石上的海绵,它们是多细胞生物,但没有真正的神经组织,也没有我们熟悉的神经元。它们的生活方式非常被动,对外界刺激的反应也十分缓慢和局限,通常是通过细胞间的化学信号进行简单的合作。

那么,谁是第一批拥有神经细胞的生命呢?目前科学界的普遍看法是,神经细胞最早出现在大约 5.5亿年前至6亿年前的寒武纪生命大爆发时期。而最有可能的“第一批”拥有神经细胞的生物,很可能是那些开始展现出一定程度的定向运动能力的早期动物。

我们通常会把目光投向那些结构相对简单的、但已经具备了一些复杂功能的早期动物。比如说:

水母(Jellyfish)及其近亲(如海葵、珊瑚等刺胞动物Cnidarians): 这类生物是比较早期的“拥有神经系统”的代表。它们拥有一个非常简单的、遍布全身的“弥散性神经网”(nerve net)。你可以想象成一张松散的网,由很多神经元相互连接而成。这种神经网能够接收到外界的化学或机械刺激(比如触碰到东西),然后将信号传递出去,引起身体的收缩或移动,比如让触手摆动以捕捉猎物。虽然这个系统非常初级,无法像我们那样进行复杂的思考和信号处理,但它已经具备了神经细胞最基本的功能:接收、传递和响应信号。

栉水母(Ctenophores,也称为海梳): 这是另一类非常古老的动物类群,它们也拥有简单的神经系统。关于栉水母和刺胞动物谁的神经系统更原始,目前科学家们还有一些争论,但无论如何,它们都标志着神经细胞作为专门的功能细胞开始出现的早期阶段。

为什么是“需移动”的生物?

现在来谈谈你提出的第二个问题:神经细胞是否只存在于“需移动”的生物内?

这里的“需移动”是一个关键点。我们可以更准确地说,神经细胞和神经系统的出现,与生物需要主动地、定向地对环境做出反应以适应生存和繁衍的需要密切相关。

被动与主动: 对于那些完全固定不动、只依赖水流或环境变化来获取养分或繁殖机会的生物(比如大多数海绵、植物、真菌),它们只需要非常基础的化学信号来协调细胞间的活动。没有必要发展出快速、定向传递信息的神经细胞。

定向移动的需求: 然而,一旦生物开始能够自主移动,事情就变得复杂起来。为了生存,它们需要:
感知环境: 知道哪里有食物,哪里是危险的捕食者,哪里是适合栖息的环境。这需要感官细胞(如光感受器、化学感受器)来接收信息。
整合信息: 将来自不同感官的信息结合起来,形成对当前状况的“理解”。
决策与执行: 根据“理解”决定下一步的行动,是向前游动、转向、躲避还是进攻。这需要神经细胞来传递和处理信号,并通过运动细胞(肌肉)来执行动作。

想象一下,一个能够游泳的早期动物。它需要感知水流方向来找到食物(或者躲避被水流冲走),需要感应到附近的猎物,然后协调身体的运动(比如摆动身体、伸展触手)去捕捉。所有这些都需要一个能够快速传递指令的系统,而神经细胞正是为此而生的。

所以,从这个角度看,“需移动”是驱动神经细胞和神经系统出现的一个非常重要的选择压力(selective pressure)。那些能够更有效率地移动、感知和反应的生物,更有可能在竞争激烈的早期环境中生存下来并繁衍后代。

神经细胞的演化并非“一蹴而就”

值得强调的是,神经细胞的出现并不是一个瞬间的事件,而是一个漫长的演化过程。从最简单的弥散性神经网,到后来的神经节(nerve ganglia,神经元聚集形成的小“团块”),再到我们今天看到的集中的神经索、大脑,神经系统的复杂性是逐步增加的。

刺胞动物: 有弥散性神经网。
环节动物(如蚯蚓)和节肢动物(如昆虫): 已经有了梯状神经系统,也就是沿身体两侧分布的纵向神经索,以及连接它们的横向神经索,还有集中的神经节作为早期的大脑或主要的神经中枢。
脊椎动物: 发展出了高度集中的中枢神经系统(大脑和脊髓)和外周神经系统,能够进行极其复杂的信息处理和行为控制。

总结一下:

神经细胞最早可能出现在约5.5亿至6亿年前的寒武纪早期动物中,例如刺胞动物(水母、海葵)和栉水母。
神经细胞的出现与生物需要主动、定向地感知和响应环境变化以适应生存(尤其是移动和捕食)的需求紧密相关。
因此,虽然严格来说并非“只存在于”所有移动的生物内(例如某些非常原始的、仅有简单运动能力的生物可能尚未发展出真正的神经细胞),但神经细胞和神经系统的演化是与具有主动运动能力并需要复杂环境互动的生物高度协同的。没有移动的需求和能力,就没有发展出“聪明”的神经系统的强大驱动力。

希望这样的讲述能让你对神经细胞的起源和意义有更深入的理解,也尽量剔除了那种刻板的、AI特有的写作痕迹。生命演化的故事本身就充满了奇妙和曲折,我们只是在一点点地拼凑出它的全貌。

网友意见

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神经系统的主要任务毫无疑问是控制运动。

的确可以说:神经细胞基本上只出现在“需移动的生物”内。有一个十分强的案例证据就是海鞘。以下引自 Wolpert 2011年的一个演讲。

作者:Daniel Wolpert

来源:TEDGlobal 2011

链接:

The real reason for brains

中文讲稿:

拥有大脑的真正原因

the humble sea squirt. Rudimentary animal, has a nervous system, swims around in the ocean in its juvenile life. And at some point of its life, it implants on a rock. And the first thing it does in implanting on that rock, which it never leaves, is to digest its own brain and nervous system for food. So once you don't need to move, you don't need the luxury of that brain.

海鞘是一种初等生物,有神经系统 生命初期在海中游动 然后在某一时刻 海鞘会把自己移植到岩石上再也不移动 海鞘在岩石上固定后的第一件事就是把自己的大脑和神经系统作为食物消化掉 也就是说,一旦不用再移动也就不需要大脑这样的奢侈品了

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