假以时日，生物可能演化出轮子吗？

“假以时日，生物可能演化出轮子吗？”这是一个非常有趣且富有想象力的问题，涉及到进化生物学、生物力学和演化限制等多个领域。要详细地解答这个问题，我们需要深入探讨几个关键方面：

1. 什么是轮子？

首先，我们需要明确“轮子”的定义。从物理学角度看，轮子是一种绕着中心轴旋转的圆形物体，其主要功能是减少摩擦，使物体能够更有效地移动。它通常具有以下几个核心特征：

圆形或近似圆形：能够实现平滑的滚动。
轴心：提供一个稳定的旋转中心。
旋转能力：能够相对地面或另一个物体自由旋转。
低摩擦接触：能够以较低的能量消耗进行滚动。

2. 进化中的“轮子”类比

在自然界中，我们确实能找到一些功能上类似轮子的结构和运动方式，尽管它们并非真正的轮子（即具有刚性圆周和旋转轴心）。这些例子可以为我们思考生物进化出“轮子”的可能性提供线索：

细菌鞭毛：许多细菌利用鞭毛进行运动。鞭毛是一种螺旋状的蛋白质丝，由一个复杂的马达驱动，可以像螺旋桨一样旋转，推动细菌前进。这种旋转运动虽然不是绕着固定的轴心，但其功能（提供动力以实现移动）与轮子有相似之处。
草履虫的纤毛：草履虫全身覆盖着纤毛，它们通过协调纤毛的摆动来移动。纤毛的运动是一种波浪式的拍打，也并非旋转。
某些水生生物的摆动：鱼类依靠尾巴的左右摆动前进，海星和海胆则依靠管足在表面爬行。这些都不是滚动。
某些昆虫的步态：一些昆虫通过交替抬起和放下腿来前进，形成一种“滚动”的整体印象，但每条腿本身并非在滚动。
种子传播的“风滚草”：风滚草在成熟后，植株会折断，成为一个圆形的整体，被风吹着在地面上滚动，散播种子。这是植物利用非生物因素实现类似轮子的运动，但植物本身没有进化出旋转的“轮子”。

这些例子表明，生物已经找到了多种多样的方式来实现移动，并且很多方式都非常高效。

3. 生物进化出真正“轮子”的可能性与挑战

现在，让我们回到问题的核心：生物是否可能进化出真正意义上的轮子？

支持的可能性（理论上）：

自然选择的强大驱动力：如果在某个特定环境下，拥有类似轮子的结构能够显著提高生物的生存和繁殖能力，那么自然选择就会偏向于产生和优化这种结构。例如，如果存在一种需要快速穿过某种障碍物或在特定地形上高效移动的环境，拥有滚动能力的生物可能会获得巨大的优势。
现有的生物结构作为基础：生物体已经拥有了旋转的“马达”结构（如细菌鞭毛的旋转马达）和能够形成圆形结构的生物材料（如骨骼、角质）。理论上，这些组件可以被重新组合和优化，以形成更复杂的旋转结构。
“轮子”并非单一固定形式：进化往往是渐进的、多路径的。即使不是我们想象中金属做的硬质轮子，也可能演化出具有类似功能的生物结构。例如，一种能够收缩和扩张、形成某种“滚筒”状的组织，或者能够像轮胎一样“变形”以适应地面的结构。

巨大的挑战与限制：

尽管理论上存在可能性，但生物进化出真正“轮子”面临着极其严峻的挑战，甚至可以说极不可能：

“轴”的难题：
生长与连接：轮子需要一个固定且能够自由旋转的轴。生物体如何形成一个既能牢固连接到身体上，又能在其上自由旋转的“轴”？这个轴需要能够承受巨大的压力和摩擦，并且需要能从生物体上生长出来。
血液循环与神经：如果轮子是一个独立的可旋转部件，那么它需要如何获得血液供应和神经支配？将这些复杂的生命维持系统集成到一个旋转结构中是非常困难的。
关节的复杂性：即使是现代的机械轮子，其轴承系统也是非常精密的工程。生物体需要进化出与之媲美的、能够在生物体内自给自足的精密机械结构，并且还能在生长和修复。这需要极其复杂的基因调控和发育过程。

“轮”本身的难题：
材料与强度：生物体需要进化出能够承受地面反复冲击、磨损和撕裂的材料，同时又要足够轻便。我们现有的生物材料（如骨骼、软骨、角质）在强度、耐磨性和柔韧性之间都需要精确的平衡，且它们通常是通过不断生长和修复来实现的，与制造硬质轮子有根本性区别。
形成圆形结构：如何在生物体内自然地形成一个完美的、坚固的圆形结构，并且能与身体连接？这需要全新的发育机制。
驱动机制：如何有效地驱动轮子？需要能够产生持续、强大的旋转力，且效率高于现有生物移动方式的肌肉或驱动系统。目前的生物移动方式（肌肉收缩、液体流动等）都是基于细胞和组织相互作用，与驱动一个刚性旋转体存在很大差异。

进化路径的障碍：
渐进性：进化是渐进的，需要一系列能够带来生存优势的中间步骤。从一个没有轮子的生物到一个拥有真正轮子的生物，每一步的微小改进都必须有意义。要找到这样一系列清晰的、有益的中间步骤非常困难。例如，先是长出一个“半圆形的突起”，然后这个突起开始“稍微能转动”，再然后“转动范围扩大”……这些中间体需要比没有这些特征的同类生物有明显的优势。
成本效益：进化总是权衡成本与效益。发展一套复杂的轮子系统（包括轮子本身、轴、驱动系统、轴承等）的能量和资源成本可能非常高昂，如果现有移动方式已经足够高效，那么进化出轮子的压力可能就不大。例如，大多数环境下的爬行、游泳或飞行已经足够适应。

其他更高效的移动方式：
自然界已经进化出了许多极其高效的移动方式，如飞行的鸟类、游泳的鱼类、奔跑的哺乳动物，甚至细菌的旋转鞭毛。这些方式在各自的生态位中表现出色。如果轮子在物理上无法比这些方式提供显著的优势，那么进化出它的动力就不足。

总结一下生物进化出真正“轮子”的困难点：

集成问题：如何在活体组织中实现完美的旋转连接、低摩擦、并保持其功能和寿命。
动力学问题：如何产生足够的、高效的旋转动力。
材料科学问题：如何进化出能承受反复应力和摩擦的生物材料。
发育生物学问题：如何精确地形成这些复杂的结构。
进化压力问题：现有移动方式的有效性可能已经足够，使得进化出轮子的选择压力不强。

结论：

虽然从理论上讲，如果环境压力足够大且进化能够找到一条可行的路径，生物不排除可能进化出某种功能上类似轮子的结构，但要进化出我们概念中的硬质圆形轮子搭配轴心和轴承的机械结构，其可能性微乎其微，几乎可以忽略不计。生物体通过演化出其他更符合生物体运作方式的移动机制（如通过协调的肢体运动、流体动力学原理等）来适应环境的可能性要大得多。

从科学的角度来看，我们很难想象生物体如何跨越从“软组织、黏性附着、肌肉收缩”到“硬质、旋转、低摩擦”的巨大鸿沟。生物的进化更多的是在现有框架内的优化和创新，而不是从头创造一套全新的、与生物体生理机制完全不同的机械系统。因此，“轮子”很可能是一个在生物进化中不会出现的结构。

不过，这并不妨碍我们继续思考和想象！也许在更遥远的未来，当生物体能够操纵纳米技术或以我们目前无法理解的方式进行自我重组时，情况可能会有所不同。但就目前我们所了解的进化机制而言，真正的“轮子”更像是人类创造的工具，而非大自然鬼斧神工的产物。

网友意见

蜘蛛专家彼得·雅格（Peter Jäger）前不久在《动物学》上发表的一个巨蟹蛛科物种：Cebrennus rechenbergi

主要以滚动为前进方式，不知道算不算轮子。

可能，而且轮子和腿可以联用。但在地球上这往往没有太大意思。

细菌与古菌的鞭毛、真核生物的纤毛就是以旋转提供动能的细胞器官。地球上至少一半的细菌个体拥有1条或更多鞭毛，考虑到细菌压倒性的个体数量与物种数量，这意味着以旋转提供动能的移动方式其实是地球生物圈里最普遍、最常规的移动方式。

每个鞭毛由鞭毛丝、鞭毛钩、鞭毛马达组成。鞭毛丝是螺旋状的空心管，通过短而弯曲的鞭毛钩连接在鞭毛马达上，鞭毛马达是 20 个蛋白质分子组成的步进电机，可以顺时针或逆时针转动，其能源是电化学梯度下离子的跨膜流动，转动方向由磷酸化控制，可在毫秒内切换。细菌鞭毛的能量转换效率可以超过 60%；

纤毛是底部不旋转而尖端旋转的构造，能量转换效率同样很高。在多细胞生物中，栉水母至今还在以纤毛推进，该门级分类似乎已经这样延续了超过 6 亿年。一些栉水母的纤毛长达 2 毫米，如果你对螺旋桨的定义博爱一点，这就是地球生物身上的潜水艇螺旋桨，或者说是轮船的轮子。

对多细胞生物来说，在陆地上使用轮子、在空气中使用直升机螺旋桨，和多足步行·扑翼飞行相比毫无优势。旋转构造本身在发育上可以解决，但自然界缺少平整的铺装路面，直升机的能效比更是难看。

这可以被人自己佐证：

南美洲土著知道轮子，他们能制造有小轮子的儿童玩具，但他们缺少大型家畜来拉动有意义的轮式车辆，所以他们的各种大规模工程建设都没有使用轮子。

不过，地球上有许多全身卷成环状或抱成团来滚动的生物，人们早已观察到灰球菌属真菌、风滚草、轮蜘蛛、等足目、若干毛虫、虎甲幼虫、多足类、一些螳螂虾、潮虫、平头穴螈、南非犰狳蜥、穿山甲、刺猬、犰狳的滚动行为，乃至一些三叶虫化石表现出滚动的姿态，还有滚粪球的蜣螂。

你可以考虑蜣螂骑在球上的状态是在蹬原始的独轮车。这有约 5000 万年历史，可能启发过古人^[1]。

经常被人们提出的“轮子在演化上有解剖学障碍，轮子的静态部分和旋转部分之间的接口怎么处理”其实并不难办。你可以参照现实存在的动物身上的自由旋转构造：

大部分双壳类和一部分腹足类的消化系统内有个结晶杆。它是在透明的糖蛋白外包裹着消化酶，由带有纤毛的囊不断分泌形成并延伸到消化道内，需要时可由纤毛推动让其突出端在消化道壁上旋转刮擦来磨碎食物并释放消化酶。不同动物的结晶杆的旋转速度有差异。在饥饿或干燥的环境里，一部分双壳类会消化掉结晶杆来应急。

这是肉眼可见的自由旋转构造，正如过去许多学者想象过的那样没有血管、神经之类不能跟着自由旋转的连接物。

如果地球上到处是极其平整的地面，你可以想象生物在蛋白质结晶或几丁质组成的轮轴与轴承的一侧长出一组负责分泌轮子或扇叶的腺体，分泌出蛋白质或几丁质的轮子/扇叶套在轴上，肌肉将其推出体外并驱动。滚珠和轮子/扇叶磨损后可以替换。

这种构造也可以为狂风呼啸的行星上自然诞生的生物组成风电机，让生物从气流中获取能量。

更简单的处理办法在罗伯特·索耶的《星丛》里展示过了：

你根本就没必要自己长个轮子，可以由共生生物组成你的轮子。

上面已经提过的滚动生物就能担任这个角色。你可以设想，在一个地面极其平整的地球上诞生的人类会驯化一种擅长滚动的动物，将木厢架在数个这种动物之间做成四轮车代替马车、用这种动物拖动滑橇代替狗拉雪橇等。

或者你考虑若干类似蜣螂的家伙各自捏个球当轮子～

参考

^ http://dx.doi.org/10.1163/18759866-07703001

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