问题

为什么棘皮动物比软体动物 节肢动物还要高等,可是为什么没有进化出眼睛呢?

回答
棘皮动物(Echinoderms)和软体动物(Mollusks)、节肢动物(Arthropods)都是动物界中非常重要的门类,各自拥有漫长的进化史和独特的生活方式。要讨论棘皮动物为何“高等”但又缺乏复杂眼睛,这本身就是一个需要细致解读的问题。首先,我们得先厘清“高等”这个词在生物学上的含义,以及棘皮动物独特的进化路径。

“高等”的定义与棘皮动物的地位

在生物学中,“高等”并非一个精确的科学术语,它往往隐含着一种对进化复杂性、功能多样性以及与我们人类亲缘关系远近的评价倾向。如果从“复杂程度”或“功能特化”来看,节肢动物无疑在很多方面表现得更为“高等”,尤其是它们高度发达的感官系统(包括眼睛)和精巧的运动能力。

然而,从另一个角度来看,棘皮动物的“高等”更多地体现在它们独特的身体结构和高度特化的生理系统上。它们拥有:

独特的辐射对称性(放射对称): 绝大多数棘皮动物(除了海星的幼体)都呈现出成体五辐放射对称,这在动物界中是独一无二的。这种对称性并非简单复制,而是对身体进行多方面的、高度整合的组织。
水管系统(Water Vascular System): 这是棘皮动物的核心特征,一套精密的液压系统,由一系列相互连接的管子、壶腹和足构成。水管系统不仅用于运动(通过膨胀和收缩形成吸盘实现移动),还承担了呼吸、排泄和捕食等多种功能。这种独一无二的生理机制,是它们在海洋环境中适应和繁荣的关键。
内骨骼(Endoskeleton): 棘皮动物的骨骼由钙质的骨板组成,这些骨板内嵌在皮肤中,形成了一个既能提供支撑又能保持一定灵活性的内部框架。这种结构在无脊椎动物中也较为少见,且能够适应深海环境。
强大的再生能力: 许多棘皮动物,如海星,拥有令人惊叹的再生能力,即使身体断裂也能重新生长。

因此,说棘皮动物“高等”,更多的是指它们在形态、生理和生态位上的高度特化和独特性,而非仅仅是拥有复杂的感官或运动系统。它们在漫长的进化过程中,沿着一条与软体动物和节肢动物截然不同的道路前进,并且在海洋生态系统中占据了重要的位置。

为什么没有进化出“眼睛”? 探究其进化路径

棘皮动物没有进化出像节肢动物那样复杂的、由晶状体和视网膜组成的“眼睛”,这并非因为它们不够“高等”,而是因为它们在漫长的进化过程中选择了不同的感知策略。理解这一点,需要深入探讨它们如何感知环境。

1. 对光的敏感度:基本的光感

虽然没有复杂的眼睛,但许多棘皮动物并非对光“视而不见”。它们拥有光感受细胞(photoreceptor cells),这些细胞通常分散在身体的表皮上,尤其是在身体的“手臂”或“步带”等部位。这些细胞能够感知光线的强弱和方向。

海星 (Sea Stars): 海星的每个腕端通常都有一个眼点(eyespots),这是一个由色素和光感受细胞组成的简单结构。这个眼点可以帮助海星感知光线的方向,例如,它们可以利用光线感知来寻找食物(例如,很多海星喜欢在夜晚活动,避开强光)或移动到更适宜的环境。然而,这并非形成清晰图像的“真眼”。
海胆 (Sea Urchins) 和海参 (Sea Cucumbers): 一些海胆和海参也具有光感受细胞,虽然它们的分布更为分散。有些海胆可能更倾向于避光,而另一些则可能利用光线进行定向。

2. 触觉和化学感受的优先发展

棘皮动物的生存策略与它们特殊的身体结构紧密相关。它们更依赖于触觉和化学感受来探索周围环境、寻找食物、避开捕食者以及进行繁殖。

水管系统和步足: 棘皮动物的步足(tube feet)是它们主要的运动和感知器官。这些步足不仅能够产生吸力帮助移动,还布满了大量的化学感受器和触觉感受器。它们通过步足“触摸”和“品尝”周围的基底,感知水流、化学信号和物理接触。这种全身性的触觉和化学感知网络,对于它们在海底进行缓慢但精密的探索至关重要。
神经系统: 棘皮动物拥有一个环状神经节和放射状的神经索,虽然不如节肢动物那样集中和复杂,但也足以协调步足的运动和处理来自全身感受器的信息。这种分散式的神经系统更适合其辐射对称的身体结构。

3. 进化的权衡与成本效益

进化是一个权衡(tradeoff)的过程,生物体投入资源发展某个特性,必然会相应地减少在其他方面的投入。

眼睛的进化成本: 发展和维护复杂的眼睛需要大量的能量和基因资源。眼睛的结构越复杂,其所需的能量就越多,并且对环境的变化也越敏感。
棘皮动物的生态位: 棘皮动物通常生活在海底,它们的移动速度相对缓慢,生活环境也相对稳定。在这样的环境中,高度发达的视觉系统可能并非必需。相反,它们对触觉和化学信息的依赖,能够有效地满足其生存和繁殖的需求。例如,通过步足上的化学感受器,它们能够准确地找到隐藏在底部的食物,或者感知到捕食者的存在。
“功能互补”: 棘皮动物在缺乏复杂眼睛的情况下,通过高度发达的水管系统和步足,实现了对环境的精细感知和互动。步足不仅是运动的工具,也是重要的“触角”和“舌头”。这种功能上的互补使得它们在进化上不必走发展复杂眼睛的道路。

4. 进化历史的差异

节肢动物 (Arthropods),特别是昆虫和甲壳类,是进化出高度复杂视觉系统的典型代表。它们拥有复眼(compound eyes)和单眼(simple eyes),能够形成清晰、动态的图像,这对于它们在复杂多变的环境中快速移动、躲避捕食者、寻找配偶和识别食物至关重要。节肢动物的身体结构(外骨骼和分节)也更适合发展集中式的神经系统和特化的感官器官。
软体动物 (Mollusks) 的情况则更为多样。一些头足类(如章鱼和乌贼)拥有极其发达的眼睛,其复杂程度甚至可以与脊椎动物的眼睛相媲美。而其他软体动物,如某些腹足类(蜗牛),也拥有简单的眼点,但远不如头足类。这反映了软体动物门内部巨大的进化分化。
棘皮动物(Echinoderms) 在其进化过程中,似乎更倾向于发展一套基于触觉、化学感受和有限光感的、与水管系统深度整合的感知体系。它们的进化路径是从简单的、模糊的辐射对称形态,逐渐演化出更复杂的内部结构和生理系统,而非朝着更集中的神经系统和更精密的视觉器官发展。

总结

棘皮动物之所以在某些方面被认为“高等”,是因为它们独特的辐射对称性、高度特化的水管系统、内骨骼以及成功的海洋适应性。然而,它们没有进化出复杂的眼睛,并非“不如”其他动物,而是因为在漫长的进化过程中,它们选择了不同的感知策略。它们将对环境的感知能力更多地投放在了触觉和化学感受上,并且这些功能与它们独一无二的水管系统和步足紧密结合,足以满足它们在特定生态位中的生存需求。这是一种进化上的“路径选择”,是生物在面对环境挑战时,根据自身结构和资源进行的最佳“投资”。与其说它们“没有进化出眼睛”,不如说它们“选择了一条不依赖复杂眼睛的成功进化之路”。

网友意见

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棘皮动物有一定程度的视力,一些种类也有小的眼睛。

所有主要的棘皮动物群体都具有接收光线的能力,具备不同类型的光感受器(从非色素性皮肤光感受器到正常的成像眼睛)。


海蛇尾、海百合没有视觉器官,但海胆在背面具有眼点,一些穴居海参在每个触手的基部也有眼点。在棘冠海星Acanthaster planci的眼睛中发现了多种视蛋白,在棘皮动物中,海胆纲和海蛇尾纲具有相当广泛分布的真皮感光细胞,但没有真正意义上的眼睛;然而,大多数种类的小行星海星都拥有真正的眼睛(Asteroidea, the starfish, possess true eyes and studying),海星在上皮中有感光细胞,并且在它们的手臂尖端有简单的眼点;结构简单,不能感知很多细节,只能感知光线的明暗。海星的眼睛很小,只有大约半毫米宽,由几百个集光单元组成,位于每个手臂上一个管足的末端。它们是复眼,在结构上类似于扇贝的眼睛,为无晶状体小眼,直径通常为20-40μm;根据物种的不同,成年标本每只眼睛有50-300个小眼,最近的研究表明,这种眼睛可以提供8-17度范围内的空间分辨率,其峰值灵敏度在470nm左右的光谱的深蓝色部分。


海星以外的棘皮动物运用皮肤光感受器。研究最好的皮肤光感受器之一是brittlestar属海蛇尾;在海胆中发现了另一个真皮光感受器系统,在许多海胆的生殖板(眼板)上有一些感光斑点,被认为支持图像形成视觉。

海蛇尾也是同样。一种栖息在加勒比海和墨西哥湾珊瑚礁中的海蛇尾具有十分突出的眼外视觉,拓展了动物界的视觉界限。

这种名为Ophiocoma wendtii的红色海蛇尾是已知能够在没有眼睛的情况下“看”到东西的第二种生物。这种能力称为眼外视力。另一种具有眼外视力的生物是海胆。这种异乎寻常的能力要归功于覆盖其全身的感光细胞和色素细胞,色素细胞在一天当中移动,帮助其发生显著的颜色改变,从白天的深红褐色变成夜间的条纹米色。

这种海蛇尾生活在明亮而复杂的环境中,处于被珊瑚礁鱼类捕食的高度威胁之下。它在白天隐藏,在夜间出来吃碎屑。它的感光细胞在白天被色素细胞包围,缩小了被探测到的光的范围,从而使每一个感光细胞都像计算机图像的像素,当与其他像素结合时,就会生成一个完整的图像。当夜间色素细胞收缩时,视觉系统不工作。

海蛇尾平时生活在黑色的缝隙里,当海蛇尾看到相同亮度的灰色墙壁和黑色白色相间条纹墙壁时,它们会选择向黑色条纹移动,因为那里更接近于平时生活的岩石缝隙,证明这种皮肤光感受器不是简单地检测亮度与黑暗,而是确实能成像的。

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