问题

除了昆虫的复眼,为什么大多数生物都是进化成两只眼睛,眼睛多了不是更好吗?

回答
你这个问题问得非常有意思,一下子就触及到了生物进化中一个非常核心的“为什么”。“眼睛越多不是越好吗?”这听起来很有道理,就像我们总是觉得“越多越好”一样。但事实是,生物进化的很多选择,都是在权衡利弊中做出的最佳决策,而不是一味追求数量。

首先,我们得先承认,除了昆虫那样的复眼,地球上绝大多数动物,包括我们人类在内,确实是长了两只眼睛。这说明,在漫长的进化过程中,“两只眼睛”这个配置,一定有什么特别的优势,让它如此普遍且稳定。

为什么是两只眼睛?这背后隐藏的“优势”是什么?

1. 立体视觉(深度感知): 这是两只眼睛最关键的优势。想象一下你闭上一只眼睛再尝试去拿桌上的杯子,是不是难度一下子增加了?这是因为两只眼睛从略微不同的角度观察世界,我们的大脑会融合这两个图像,计算出物体之间的距离和相对位置。这个能力,也就是所谓的“立体视觉”或“双眼视差”,对于很多动物来说至关重要。
捕食者: 需要精确判断猎物的距离,才能成功扑杀。一只眼睛看到的距离可能不够准确,容易失手。
被捕食者: 需要判断逃跑路径上的障碍物,或者评估掠食者离自己的远近,以便及时躲避。
灵长类动物(包括我们): 精细的抓握、攀爬、操作工具都需要精准的空间感知能力,两只眼睛提供的立体视觉是基础。

2. 视野的扩大和重叠: 虽然两只眼睛,但它们分别位于头部两侧(或者正面),它们各自的视野会有重叠,但也有各自的盲区。
前置的眼睛(如我们、猫、老鹰): 视野重叠的区域更大,立体视觉更强,这对于需要“盯紧”目标的情况非常有利。但是,头两侧的视野就相对狭窄了。
侧置的眼睛(如兔子、鹿、鱼): 视野更宽阔,重叠区域小,但可以看到更大的范围,有利于发现来自四面八方的危险。它们更注重广阔的“监控”能力,而不是精细的距离判断。
两只眼睛的组合,提供了一个介于“极致的立体感”和“极致的广阔视野”之间的平衡点。

3. 冗余和稳定性: 拥有两只眼睛,意味着如果其中一只受伤或失明,另一只仍然可以发挥作用。这提供了重要的“备份”机制,提高了生物在复杂环境中生存的几率。如果只有一只眼睛,一旦这只眼睛出了问题,生物的生存能力会大打折扣,甚至无法生存。

那为什么不能更多呢?眼睛“多了”真的就不好吗?

1. 大脑处理的负担: 视觉信息是非常庞大的,我们的大脑需要花费大量的能量和计算资源来处理这些信息。如果眼睛数量增加,意味着 incoming 的数据量呈指数级增长。想象一下,如果你有四只眼睛,它们看到的东西都需要被大脑整合,这会是什么样的负担?
神经系统的高度复杂化: 增加眼睛不仅是增加物理器官,更需要配套的神经连接、处理通路和神经网络。这会极大地增加生物体神经系统的复杂性,在进化上是巨大的“成本”。
处理效率的瓶颈: 大脑的处理能力是有限的。即使我们有更多的眼睛,如果大脑无法及时有效地处理这些信息,它们也毫无意义。与其拥有大量模糊不清或处理不过来的信息,不如拥有两只提供清晰、可用信息的眼睛。

2. 能量消耗的增加: 眼睛是相当耗能的器官。它们需要维持细胞的活力、进行化学反应(感光),并且都需要一个完整的视觉系统来支持。增加眼睛的数量,就意味着增加能量的消耗。在自然选择的“成本效益”分析中,如果增加眼睛带来的收益(例如更好的视觉能力)不足以弥补其增加的能量消耗和复杂性,那么这种改变就不会被普遍采纳。

3. 结构和空间的限制: 头部是一个有限的空间。眼睛的放置需要考虑到头部的整体结构、运动(如头部转动)以及与其他器官(如大脑、鼻子、嘴巴)的协同工作。在头部增加更多的眼睛,可能会带来结构上的冲突,影响其他重要功能的实现。例如,过多的眼睛可能会挤占大脑或肌肉的空间,或者影响到面部表情的实现。

4. 进化的“路径依赖”和“渐进性”: 进化不是一次性的大幅度设计,而是通过微小的、渐进的改变积累而成。最早的视觉器官可能只是感光点,然后发展成简单的眼杯,再逐渐演变成复杂的单眼(camera eye),比如我们和脊椎动物的眼睛。在这个过程中,两只眼睛的配置被证明是有效的,并且在这个基础上不断优化。一旦形成了一个相对稳定的有效模式(两只眼睛),就很难再有“翻天覆地”的改变,除非有巨大的环境压力驱动,并且这种改变能带来压倒性的生存优势。

5. 复眼是另一种“优化”路径: 你提到了昆虫的复眼。复眼和我们人类的单眼是两条不同的进化路径,但它们都解决了“感知世界”的问题。
复眼(Mosaic Vision): 昆虫的复眼由成千上万个独立的“小眼”组成,每个小眼只捕捉到一小块视野。大脑将这些小块图像整合起来,形成一个“马赛克”般的整体图像。
复眼的优势: 极高的运动感知能力。即使是很小的运动,也能被很多小眼同时捕捉到,让昆虫对快速移动的物体(如猎食者或猎物)非常敏感。同时,复眼的视野非常宽阔,很多昆虫的复眼几乎可以覆盖360度。
复眼的劣势: 分辨率较低,立体视觉能力相对较弱,细节感知能力不如单眼。

所以,复眼和单眼各有优劣,适应了不同生物的生活方式。昆虫生活在一个相对“粗糙”但充满快速运动的世界,复眼对它们来说是极佳的工具。而我们脊椎动物则需要更精细的空间感知和细节辨别能力,两只单眼组合就更适合。

总结一下:

生物进化从来不是追求“越多越好”,而是“最适合当下环境的配置”。两只眼睛之所以如此普遍,是因为它在以下几个方面提供了极佳的平衡:

提供了强大的立体视觉, 这是生存和捕食的关键。
在视野广度和精度之间取得了良好的平衡。
提供了重要的生存冗余。
大脑处理的负荷和能量消耗处于一个可接受的范围内。

而增加眼睛的数量,可能会带来处理负担、能量消耗、结构限制等方面的巨大“成本”,这些成本的增加往往无法被新增加眼睛带来的好处所完全抵消。进化总是倾向于选择那些“成本效益比”最高的解决方案,而对于绝大多数动物来说,两只眼睛就是这样一个“恰到好处”的方案。

所以,下次你看着自己的两只眼睛,可以想想,这可不是随便长出来的,而是亿万年进化留下的,一个非常精妙且实用的设计。

网友意见

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因为两只眼睛够用了。

眼睛是用来确定物体的大小形状远近等等的,本质上就是要估计(主要是前方)的大量点光源或者是反射源的位置 - 三维位置。所以需要能够算出一个点的三个坐标。

以脊椎动物和软体动物的摄像机眼为例,一个光源点在视网膜上可以成一个像点,于是视网膜上得到一个二维的信息,亦即两个坐标。

还差一个坐标,一般就是距离,怎么知道呢?可以去问问独眼龙.... 一般来说凭可以经验猜,不过这是大量两只眼的人传递的信息积累,算作弊。如果光靠他自己一只眼睛,可能他可以通过当前晶状体的焦距来算 - 但是这并不是一个快捷的办法,人类不直接读取晶状体的焦距,只能通过睫状肌的感受来猜,非常不靠谱,只能分辨极近和极远的物体。

还有一个办法:用两只眼睛看同一个东西。对于同一个光点,每只眼睛会同时给出一组二维坐标。算出不同眼睛的读数之间的差别,配合两个视网膜固定的空间距离,大脑就可以立即计算出距离,也就是第三个坐标值。

于是两只眼睛就够用了。

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前提错误。无论算不算昆虫,无论计算物种数、生物量(总体重)还是数量,地球上的绝大多数生物都不是两只眼睛。

  • 地球生物的物种数和数量的主体是原核生物,保守估计有一万亿种,人家是没有眼睛的,至多每个细胞有个眼点;原核生物大多为单细胞,少数多细胞原核生物也不止2个细胞。
  • 地球生物的生物量的主体是维管植物,人家是没有眼睛的。
  • 动物物种数的主体是昆虫,在不计昆虫之后主体仍然是无脊椎动物,其眼睛数量很少为2。
  • 脊椎动物里,一些两栖类和一部分爬行类实际上是3只眼睛的。现存的大多数蜥蜴、一些青蛙、一些蝾螈、一些软骨鱼和七鳃鳗的颅顶眼并不是“退化”的状态,而是连接到松果体、感受光线来调整激素释放,涉及体温调节和昼夜节律。
  • 在古生物化石上,甲胄鱼、盾皮鱼、肉鳍鱼、早期四足总纲动物和兽孔目动物的颅顶眼经常发达到配备眼窝的地步,现在许多两栖类和爬行类的顶骨之间还保留着一个孔。

所谓“两只眼睛”的生物,在地球上是绝对的非主流。

对这些非主流来说,眼睛的构造是相对脆弱的,眼睛多会让弱点变多;处理视觉信号需要大量的神经细胞、占用大量的神经活动,在每只眼睛已复杂到一定程度后并不是可以随便复制粘贴的;2只眼睛的重叠视野已经可以带来深度感。那么,“眼睛多了”能更好在何处呢。

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