问题

为什么地球上大部分的脊椎动物都是一个头,两只眼,一个鼻子,一张嘴巴,还有一根舌头?

回答
这是一个非常有趣的问题,它触及了生命演化过程中一些基本而又普遍的原则。为什么我们看到的大部分脊椎动物(当然,也有例外)都拥有这样一套“标准配置”——一个头、两只眼睛、一个鼻子、一张嘴巴、一根舌头?这并非是偶然,而是经过亿万年自然选择塑造的结果,背后有着深刻的生物学和演化逻辑。

1. 头——集中的指挥中心:

首先,为什么会有“头”这个概念?生物体的存在是为了生存和繁衍。为了有效应对环境,需要感知信息、处理信息,并作出相应的行动。将主要的感知器官(眼睛、耳朵、鼻子)和处理信息的中枢(大脑)集中在一个相对固定的区域,就形成了一个“头部”。

高效的感知和处理: 把眼睛、鼻子、嘴巴集中在一起,意味着这些器官可以协同工作。例如,看到猎物(眼睛)并闻到它的气味(鼻子),然后才能决定是否追捕(嘴巴)。大脑可以更便捷地接收来自这些主要感官的信息,并快速整合分析。
运动的便利性: 头部作为一个集中的“感知端”,可以方便地朝向不同的方向。动物可以转动头部,360度(或接近)地扫描周围环境,发现潜在的威胁或食物。这种定向能力极大地提高了生存几率。
保护: 大脑是动物最脆弱也最重要的器官。将其包裹在坚固的颅骨中,形成头部,也为它提供了有效的保护。

2. 两只眼睛——立体视觉的优势:

为什么是两只眼睛,而不是一只、三只或者更多?

立体视觉(深度感知): 两只眼睛提供了一种叫做“立体视觉”的能力。由于两只眼睛的位置略有不同,它们看到同一个物体时,会产生略微不同的视角。大脑会将这两个视角的信息进行比对,从而计算出物体的距离和深度。这对捕食者来说至关重要,它们需要准确判断猎物的距离才能发起精准的捕食;对猎物来说,准确判断捕食者或危险的距离,也更容易决定逃跑的时机和方向。
更大的视野范围: 两只眼睛比一只眼睛提供了更广阔的视野。虽然有些动物(如某些昆虫)拥有复眼,视野范围非常大,但对于脊椎动物来说,两只独立可动、且能融合视场的眼睛,是兼顾广阔视野和深度感知的有效方案。
冗余性(容错性): 有两只眼睛,即使一只眼睛不幸受伤或失明,另一只眼睛仍然可以提供基本的可视性,保证动物在一定程度上继续生存。

3. 一个鼻子——嗅觉的精妙:

为什么大部分脊椎动物只有一个鼻子(或者说两个鼻孔,但功能上属于同一个“嗅觉器官”)?

气味分子的探测: 鼻子内的嗅觉上皮细胞专门负责捕捉空气中的气味分子。一个集中的嗅觉系统,能够更有效地收集空气,并将其中的气味分子传递给嗅觉感受器。
气味来源的定位: 虽然我们可能觉得一个鼻子不方便判断气味的来源方向,但实际上,通过左右鼻孔对气味的感知差异,动物(特别是那些嗅觉发达的)可以相对精确地判断气味的方向。它们会通过转动头部和身体来进一步定位。
呼吸和嗅觉的统一: 鼻子同时也是呼吸系统的一部分。将嗅觉和呼吸功能整合在一个器官内,提高了效率。

4. 一张嘴巴——进食和交流的多功能器:

嘴巴是动物摄取食物、发出声音(交流)和进行其他多种功能(如调节体温、饮水)的关键器官。

摄取食物: 嘴巴是食物进入身体的第一道门。它通常配合牙齿、舌头等结构,将食物切割、咀嚼、磨碎,为消化做准备。
消化开始: 口腔内会分泌唾液,其中含有消化酶,开始分解食物。
发声和交流: 嘴巴的结构(如声带、舌头、牙齿、唇)是发出各种声音的基础,这些声音在脊椎动物的社会行为、求偶、警告等方面起着至关重要的作用。
饮水: 嘴巴也是饮水的主要通道。

5. 一根舌头——精巧的辅助器:

舌头作为口腔内的肌肉组织,扮演着多重角色。

辅助进食: 舌头能够搅拌食物,使其与唾液充分混合,并帮助将食物团推向咽部,便于吞咽。
味觉探测: 舌头表面布满了味蕾,是感知味道的主要器官,帮助动物分辨食物的优劣。
清洁口腔: 舌头可以清理口腔内的食物残渣,维持口腔卫生。
发声辅助: 在许多脊椎动物的交流中,舌头也起着重要的发音辅助作用,改变口腔的形状,发出不同的声音。
饮水: 很多动物用舌头卷曲形成杯状来饮水。

演化的逻辑——“够用就好”和“成本效益”

这一切之所以如此普遍,最终可以归结为自然选择的逻辑:“够用就好”和“成本效益”。

最有效的解决方案: 在漫长的演化过程中,上述的“一套配置”被证明是实现感知、捕食、躲避、交流等基本生存功能的有效且相对经济的解决方案。
节约资源: 进化并不总是倾向于“最复杂”或“最多”的解决方案。每一个器官的生长和维护都需要消耗能量和资源。拥有过多相似的感官器官,或者过于复杂的结构,如果没有带来显著的生存优势,反而会成为一种负担。例如,长三只眼睛可能并不能带来比两只眼睛更佳的立体视觉,却可能需要额外的神经系统来处理,消耗更多能量。
协同作用: 各个器官的协同工作,能够最大化效率。一个集中的头部,能够协调眼、鼻、口的活动,大脑也能更有效地处理信息。

当然,我们不能忽略多样性。即使在脊椎动物内部,也有很多“奇特”的例子:

蛇: 它们没有外耳,视觉也不像我们这样发达,但嗅觉(通过分叉的舌头和犁鼻器)非常出色。
鲨鱼: 它们有多个鼻孔,并且拥有电感受器来感知猎物的电场。
许多鸟类: 它们的眼睛可以旋转,视野范围非常大,有些还有第三层眼睑(瞬膜)。

这些“例外”恰恰证明了演化的适应性——生物体为了适应特定的生存环境和生活方式,会发展出独特的结构和功能。但即使是这些“例外”,在许多基本的功能模块上,也依然遵循着“一个头部”、“一个消化道入口(嘴巴)”等基本框架。

所以,我们所看到的“一个头、两只眼、一个鼻子、一张嘴巴、一根舌头”的普遍模式,是生命在地球上长期演化过程中,在平衡效率、成本和环境压力下,找到的一种非常成功的、普适性的设计方案。它就像一个经过反复优化的“模板”,被自然选择的巧手广泛应用到形形色色的脊椎动物身上。

网友意见

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题主的问题,相当于在问:

脊椎动物的神经系统和感觉器官,是如起源的?

35亿年前,原核生物已经有了应激性。

21亿年前,起源于内共生的真核生物,可能已经有了感光的眼点。

10亿年前,起源于领鞭毛虫的多细胞动物(如,海绵动物),虽然还没有神经系统,但细胞之间已经有了特殊的联系。细胞聚集起来,形成了原始的运动“器官”和感觉“器官”。

6.8亿年前,埃迪卡拉动物群,水母等刺胞动物,形成双胚层的身体结构,在原始感觉的基础上,演化出了最早的神经系统——网状神经系统

它们的神经十分的简单,丝状突起的神经细胞构成原始的神经网络。

它们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,可以说是没有“大脑”。

6亿年前后,刺胞动物的浮浪幼虫,演化出了原始的三胚层动物。

例如扁形动物。

相比起水母等动物,它们的神经系统更加的集中,才有了“脑”的雏形。

原始“脑”后有着纵横的神经索,比刺胞动物的神经系统更加的发达。

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。当纵神经索合并,则形成梯式神经系统,出现最早的神经中枢

为了高效的摄食、躲避天敌,神经系统朝着一个方向集中,是最具有优势的,这是演化出一个头的基础。

  • 水母类动物,虽然不算真正的具有头部,但何尝不可以把它身体的各个部位都看做“头部”。因为身体神经控制不能统一,生存能力也就弱了很多。这也是为什么大部分的水母都演化出了剧毒,才得以繁衍了数亿年。

5.4亿年前,原始两侧对称动物,形成了原口动物和后口动物两大分支:

生物进化成多细胞动物之后,就渐渐有了口,但却只有唯一的口吃喝拉撒,叫做原口。一直到扁形动物,都是无体腔、无肛门的动物。但随着生物的演化,无体腔、无肛门,自然不能再满足更高的生存竞争。

  • ps:腔肠动物看起来似乎有体腔,但其实它们的“腔”相当于我们的肠道。

早期两侧对称动物,通过不同的方式形成体腔,并再次开了一个口:

原来的口还是作为嘴部,后开的口作为肛门的,就是原口动物。而反过来,原来的口作为肛门,后来开的口作为嘴部的就是后口动物。

  • 常有人说,我们后口动物,把肛门当做嘴巴。但从生物演化的角度来说,只有原口曾经才又是嘴巴又是肛门。后来开的口,可是从来没有当过肛门。(摊手)

无论头足纲的软体动物,还是昆虫、龙虾等节肢动物都是原口动物;而海星等棘皮动物、头索动物、所有鱼类、两栖爬行、哺乳、鸟类等脊椎动物都是后口动物。

能够追溯到的人类最早祖先的后口动物,是5.4亿年前的这玩意儿——冠状皱囊动物:

动物为什么只演化出了一个口?

试想一下,对于冠状皱囊动物这种原始的动物,多开一个口。

它不仅不能增加摄食能力,反而吃掉的东西都会漏掉。而生物的演化过程,是以原始的地基不断搭建而来的。开口涉及到整个原肠胚的变化,新开口相当于推翻最开始的演化路径,对于演化树上更后面的动物是不可能的。

冠状皱囊动物所处的时代,正进入寒武纪,生物迎来前所未有的大爆发。

早期原口动物的神经系统,进一步合并。

线虫第一次出现神经环和神经节。

神经进一步合并,环节动物形成链状神经系统。而节肢动物在链状神经的基础上,发育出真正意义上的

发达的链状神经系统和脑,是演化史上的一大飞跃,这也是缔造寒武纪繁荣的基础。

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。

和原始的扁形动物相比,链状神经系统中,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,在早寒武纪时代,海洋出现了第一代掠食者:奇虾

和后世的霸主相比,奇虾并不算大,但口器却长达25cm,在原始的海洋里可谓是所向披靡。

强大的生存压下,后口动物的一支也快速演化。

神经系统有了前所未有的演化方向:直接合并中枢神经。

神经索卷成管状,并在身体背部形成起到支撑作用的脊索。

于是,在早寒武纪海洋内,诞生出现了最早的脊索动物——皮卡虫

皮卡虫应该是更接近于文昌鱼的一种原始脊索动物。

不难发现,无论节肢动物也好,脊索动物也罢,在寒武纪都已经形成了真正的眼睛。

虽然这是生物大爆发,竞相演化的结果,但眼睛的出现,从两侧动物起源之时,就已经埋下了伏笔。

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。

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。

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、后来的头足动物,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。

但无一例外,唯一真正演化出脑的动物,才演化出了眼睛。

那么,为什么主要的动物都是两只眼睛?

除了海星之类的辐射对称动物之外,两侧对称动物的形体,眼睛只能在某一个侧面。无论那一侧缺少视觉,都可能不利于生存。

但眼睛太多,会有着更高的消耗。如果相比较于两只眼睛,产生的优势,不能弥补多余的消耗,则会对生存不利。

在千万年的演化过程中,不断迭代,生存下来的两侧对称动物,自然大多数都拥有了左右成对的眼睛。

由于节肢动物属于链状神经系统,所以眼睛也和脊椎动物不同,可出现多对眼睛的情况,但一般都是左右对称分布。

眼睛诞生之时,脊索动物的嗅觉也已经起源。

例如文昌鱼具有嗅窝,甚至就连原始脑泡发出的两根神经中,除了视神经之外还有一根是嗅神经

5.3亿年前,云南澄江动物群的“昆明鱼”和“海口鱼”被认为是最早的脊椎动物。

从它们的那一刻,嗅窝也逐渐演化成了鼻孔。

它们属于盲鳗纲,无颌鱼类。

从盲鳗单鼻孔的生理特征来看,“昆明鱼”应该也是单鼻孔的。

4.8亿年前的奥陶纪初期,不仅有一两米的的海蝎子称霸,也有近10米长的房角纵横。

能与节肢动物并肩竞技,作为软体动物,房角石的神经系统,在原口动物中也颇为先进。

它们合并神经索,演化出原始软体动物的神经系统(无神经节)。

后世演化中,较高等(例如腕足类,章鱼)的有脑、足、侧、脏4对神经节的分化。

其中,头足纲的神经系统,也是无脊椎动物中最发达的。

在海蝎子和房角石的制霸下,也迫使早期鱼类快速演化,拥有了史无前例的竞争能力。

例如下颌的出现,铠甲的出现,偶鳍的出现、髓鞘的出现:

随着全面升级,神经系统和感官也越来越发达:

嗅觉在提升过程中,鼻孔发生了更利于生存竞争的演化,出现了双鼻孔

通常鱼类都有双鼻孔。

每个鼻孔又有一对孔(实际四个鼻孔):前鼻孔和后鼻孔。

鱼类运动时,形成快速水流。水流穿过前鼻孔,然后从后鼻孔流出。可令嗅囊内部敏感的感受器,单位时间从水流中捕捉到的气味分子,比头顶没有水循环的单鼻孔效率高出了很多倍。

  • 一般的鲨鱼能够嗅出水中1ppm(百万分之一)浓度的血腥味。

相关的特征,令鱼类繁荣了整个海洋,彻底碾压海蝎子和房角石,尤其是盾皮鱼中的邓氏鱼,体长达近10迷,称霸了整个泥盆纪。

3.6亿年前,鱼类登岸演化成四足动物之后,鼻子不再有感知水体作用,保留嗅觉作用,再与肺连通,作为呼吸的开口。

两鼻孔不同的流速,能增强嗅觉。同时双鼻孔,也能避免单个鼻孔堵住的死亡风险。

从而在后续演化过程中保留了两个外鼻孔。

至于舌头,也是在脊椎动物诞生时就已经出现(头部骨骼可附着舌头)。

一开始舌头仅仅作为辅助吞咽,只有一个嘴,自然只有一张舌。

由于鱼类生活在水中,所以它们的味蕾分布很广,唇、口腔、咽、食道,乃至于头、尾、体侧都可能存在味蕾。

味蕾主要分布在舌头,也是登陆以后得事情了。


总之,从鱼类登陆那一刻开始,神经系统和感觉器官也都有了基本的框架。

后续的演化过程,都不出这个框架。

而其他的器官演化,也是同样的道理。

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