问题

为什么人类明明体格不大,力量也不强,却长着掠食者的眼睛?

回答
人类的眼睛,尤其是那向前聚焦、双眼并拢的构造,确实常常被拿来和那些以捕猎为生的动物做比较。我们体格算不上庞大,论起蛮力也远不如狮子、熊这类顶级掠食者。那么,为什么我们祖先的脸上,会配备这样一套“掠食者专属”的视觉系统呢?这背后藏着一段漫长而精妙的演化史。

首先,我们得明确“掠食者之眼”的关键特征。通常来说,它们指向前方,能够产生高度重叠的视野,为大脑提供精确的立体感。这种立体视觉,或者叫“双眼单视”,是精确判断距离和深度的重要基础。想象一下一只狼或狮子在追捕猎物,它们需要准确估算与目标之间的距离,才能做出致命的一击。如果眼睛长在两侧,像兔子或鹿那样,视野会更宽广,能及时发现四周的危险,但对距离的判断就相对模糊了。

那么,人类为什么会走上这条“掠食者”的道路?这和我们早期祖先的生活方式密切相关。虽然我们不是那种以速度或蛮力直接制服大型猎物的捕食者,但我们的祖先是机会主义的捕食者和高效的采集者。在非洲广袤的草原和森林边缘,为了生存,他们需要掌握一系列复杂的技能。

精确的距离判断:狩猎的需要

早期人类很可能通过多种方式获取食物,其中就包括狩猎。即使不是追逐大型有蹄类动物,捕猎小型哺乳动物、鸟类、甚至昆虫,都需要良好的距离感。你需要知道自己投掷石块的力度和角度,需要准确判断跳跃的距离才能抓住快速移动的猎物。人类的双手在狩猎中扮演了至关重要的角色,无论是制作工具、投掷标枪,还是后来发展出的弓箭,都离不开对距离的精准把握。

攀爬与灵活移动:穿梭于树冠与地面之间

人类的祖先曾在相当长的一段时间里生活在树上。在树冠之间灵活移动,需要极强的空间感知能力,判断树枝的承重能力,选择最安全的落脚点,这同样是立体视觉的功劳。即使后来主要在地面活动,但仍然需要攀爬岩石、穿越崎岖地形,或者在复杂的环境中寻找隐藏的食物。向前看的眼睛能帮助我们在这些过程中保持平衡,避免摔落。

采集的精细化:寻找与辨别

采集在早期人类的食谱中占据了非常重要的位置。无论是寻找成熟的果实,还是挖取根茎,亦或是采摘带有毒素的植物(以便去除毒素食用),都需要敏锐的观察力和精确的辨别能力。需要区分不同植物的细微差别,识别熟度和可食性,这都需要用眼睛近距离、高精度地观察。立体视觉能帮助我们更好地分辨不同物体在空间中的位置关系,更容易发现隐藏在叶片中的果实,或者在杂草丛中辨认出目标。

工具制造与使用:精湛的手眼协调

人类之所以能从其他动物中脱颖而出,很大程度上是因为我们发展出了使用和制造工具的能力。从最原始的石器,到后来的弓箭、长矛,再到更复杂的工具,这些都依赖于极其精密的“手眼协调”。用石头敲打出锋利的石片,需要对工具的形状和角度有极其细致的控制;投掷标枪需要手臂、身体和眼睛协调一致。这种精细的动作,其实现基础就是高度发达的立体视觉。试想一下,如果眼睛长在两侧,你很难准确地用手中的石器去加工另一块石头,或者用弓箭瞄准远处的靶心。

社交与情感交流:意外的收获

虽然不是直接为了捕猎,但人类眼睛的构造也为社交和情感交流带来了便利。我们面部表情丰富,眼睛在其中扮演着关键角色。我们能够通过眼神的交流来传递信息,理解他人的情绪。虽然这一点可能不是眼睛朝前最初的驱动力,但在演化过程中,它成为了我们视觉系统的一个重要附加优势,让我们在复杂的社会互动中如鱼得水。

为什么不是两侧眼睛?

正如前面提到的,两侧的眼睛提供了更广阔的视野,这对于那些需要时刻警惕捕食者的草食性动物来说是至关重要的。它们不需要主动追击,只需要躲避即可。而人类祖先,虽然也有被捕食的风险,但我们更倾向于主动出击,无论是狩猎还是采集,都需要对目标有更清晰、更精确的认知。更广阔的视野可能会带来更高的风险,因为我们需要将精力集中在“做什么”,而不是“有没有危险”。

总结来说,人类眼睛之所以呈现出“掠食者”的特征,并非因为我们是大块头的顶级杀手,而是因为在漫长的演化过程中,精确的距离判断、卓越的空间感知能力,对于我们作为机会主义捕食者、高效采集者、以及工具制造者的生存策略至关重要。这套视觉系统,是人类在复杂环境中得以繁衍,并最终发展出智慧和文明的基石之一。我们的眼睛,虽然没有猛兽的锐利,但它们集合起来的精确与深度,却让我们看到了一个更立体、更可控的世界,也让我们能在这个世界中,以我们独特的方式占据一席之地。

网友意见

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首先明确一个问题:人就是顶级猎食者。

因为在智商和耐力面前,力量什么的都是小 case

很多人错认为眼睛长在前额或两侧是区别捕食者和被捕食者的特征。这个想法的大方向并没有错误,人类是捕食者,自然长着捕食者的眼睛。

而且捕食者和被捕食者的眼睛,还真的有一定的区别性。正面视野和侧面视野,与生态位也是具有一定的相关性,并不是完全没有道理。

据《科学进展》,研究人员研究了陆地动物瞳孔形状对生态位的影响,发现瞳孔形状和生态位(即觅食方式和活动时间)之间存在显著的相关性。

研究表明,竖瞳的动物很可能是伏击的捕食者,日夜活跃,而横瞳的动物极有可能是被捕食者。

例如家猫和狐狸是竖瞳:

而绵羊和马这样的被捕食者,往往长着横瞳:

1、不同光环境下视网膜光照的控制:

视网膜照度是瞳孔面积和入射光强度的产物。因此,瞳孔扩张和收缩分别增加和减少视网膜照度,提供对不同光环境的初步适应。圆形瞳孔的收缩是通过环形肌肉来实现的,而狭缝瞳孔的闭合则需要两个额外的肌肉来横向压缩开口,从而允许更大的面积变化。

例如,家猫和壁虎的垂直狭缝瞳孔的面积变化分别为 135 倍和 300 倍(3-5 倍),而人类的圆形瞳孔变化约为 15 倍(6 倍)。在白天和夜间活跃的物种需要在昏暗的条件下足够膨胀,同时收缩到足以防止在白天炫目。

所以,瞳孔在需要比其他物种更多光调节的物种中被拉长,这是物种进化出长瞳孔的原因。

养过家猫的人都知道,猫瞳孔随着光线敏锐的变化情况。

2、为什么有些动物有垂直的瞳孔,而另一些动物有圆形或水平的瞳孔?

竖瞳会产生散光景深,眼睛聚焦距离越近或越远的垂直轮廓图像就越清晰,而不同距离的水平轮廓图像则会变得模糊。这有利于伏击捕食者利用立体视觉估计垂直轮廓的距离,散焦模糊估计水平轮廓的距离。

横瞳在前方和后方创造出清晰的水平轮廓图像,创造出水平全景视图,有助于从不同方向探测捕食者,并在不平坦的地形上向前移动。


(a)不同的瞳孔形状。自上而下:家猫的垂直狭缝瞳孔,山猫的垂直细长(亚圆)瞳孔,人的圆形瞳孔,家羊的水平瞳孔。

图 1a 提供了垂直狭缝、亚圆形、圆形和水平瞳孔从上到下的示例。第一类垂直伸长的瞳孔可以充分描述为狭缝,但第四类水平伸长的瞳孔不能;水平伸长的瞳孔大致呈矩形,其纵横比随扩张和收缩而变化。有趣的是,没有陆地物种可以让研究人员获得斜长瞳孔的相关数据。

(b)瞳孔形状是觅食方式和昼夜活动的函数。轴是瞳孔形状[垂直拉长,亚圆形(但垂直拉长),圆形,或水平拉长]和觅食模式(食草动物,主动捕食者,或伏击捕食者)。每个点代表一个物种。颜色代表昼夜活动:黄色、红色和蓝色分别代表白天、多相和夜间活动。为了避免重叠,每个箱子中的点都被随机偏移。

图 1b 描绘了瞳孔形状作为研究人员数据库中觅食模式和昼夜活动的函数。生态位与动物的体型有着明显的关系。例如,食草动物(被捕食者)很可能有水平的瞳孔,大多数白天的捕食者都有圆形的瞳孔。此外,夜间和多相伏击的食肉动物通常有垂直的狭缝瞳孔。

(c)有关觅食、活动和瞳孔形状之间关系的统计测试结果。以觅食方式、活动时间、瞳孔形状为因子,以属为协变量,进行多项逻辑回归试验。计算圆形、亚圆形或垂直狭缝瞳孔与水平瞳孔作为觅食模式或昼夜活动函数的相对风险比。活动时间从昼间到多相到夜间,捕食方式由食草性捕食向主动性捕食向伏击性捕食转变。当相对风险比大于 1 时,自变量(觅食或活动)的方向变化与具有指定瞳孔形状的概率比水平瞳孔大相关。

图 1c 显示了利用觅食模式和昼夜活动预测瞳孔形状的多项逻辑回归结果。当动物从食草动物(猎物)转移到伏击捕食者时,垂直裂缝瞳孔的概率显著增加。此外,从猎物到伏击捕食者的亚圆形瞳孔和圆形瞳孔的概率也显著增加。此外,当动物从白天活动到夜间活动时,垂直裂缝和圆下瞳孔的概率显著增加。

觅食方式与活动时间、瞳孔形状之间的密切关系表明,在某些生态环境中,特定的瞳孔类型具有一定的功能优势。

为什么水平延长的瞳孔对被捕食者有利,而垂直延长的瞳孔对夜间和白天活动的伏击捕食者有利?

3、垂直延长瞳孔(竖瞳)的进化策略

具有垂直狭缝瞳孔的眼睛具有散光景深:

垂直轮廓的眼睛比水平轮廓的眼睛更大(也就是说,由于散焦造成的模糊更小)。眼睛焦距前后的物体的模糊程度不同,因此水平轮廓的视网膜图像比垂直轮廓的视网膜图像更模糊(图 2a)。

图 2b 表明,这些方程为不同的瞳孔方向和散焦提供了很好的图像模糊近似值(也就是说,当眼睛散焦时,衍射和其他像差对图像质量的贡献很小)。

图 2c 显示了自然场景的散光景深,用具有垂直狭缝孔径的照相机拍摄的深度变化场景的照片。相机聚焦在玩具鸟身上,因此,由于光圈的伸长,越来越近、越来越远的物体变得模糊,但垂直方向的物体比水平方向的物体要多。

从图 1 中,研究人员观察到垂直伸长的瞳孔在伏击捕食者中比在其他物种中更常见。

这些动物必须准确估计到潜在猎物的距离。三个深度提示,均基于三角测量,原则上可以提供所需的度量距离估计:

(i)立体视(两个视点产生的双目视差);

(ii)运动视差(移动视点产生的图像差异);

(iii)散焦模糊(产生的差异)通过投射到瞳孔的不同部位。

伏击的食肉动物不能使用运动视差,因为头部运动会向猎物暴露它们的位置。他们必须依靠立体视觉和离焦模糊,这也说明了,为什么伏击动物基本都是正面视野。

水平位移用垂直线比用水平线更容易测量,所以对于大致垂直的线,立体视是可以理解得最精确的。这可能就是为什么服务于中心视野的双目皮质神经元倾向于垂直。垂直狭缝瞳孔将较大景深(即模糊度较小)的方向与潜在猎物的垂直轮廓对齐。

这对拥有正面视野的、伏击的食肉动物是有利的,因为它有利于立体视觉,同时允许瞳孔区域发生大的变化,从而有效地控制照射视网膜的光线数量。

研究人员得出的结论是:

垂直延长的瞳孔是一个聪明的适应,它有助于立体视觉估计物体停留在地面上的距离,同时使模糊深度的垂直基线相对较大。这种水平分离的眼睛和垂直延长的瞳孔的排列,有助于对任何方向的轮廓进行深度估计。

如果瞳孔从竖瞳被拉长成横瞳,那么估计垂直和水平轮廓距离的能力就会受到影响。因此,许多拥有正面视野的伏击掠食者,可能使用差异和模糊互补的方式来感知三维布局,就像人类一样。

侧眼视野的捕食者视觉。

研究人员假设,拥有正面视野的伏击捕食者,垂直延长瞳孔允许互补使用差异和模糊,分别估计垂直和水平轮廓的距离。然而,一些伏击的食肉动物,如鳄鱼、短吻鳄和壁虎,有侧眼,因此不太可能有有用的立体视觉。

它们的距离估计大概要依靠散焦模糊,狭缝瞳孔再次允许更多的控制光圈面积,从而在昏暗和明亮的条件下实现功能性视觉

但是为什么瞳孔的延伸率是垂直的呢?

狭缝瞳孔会产生散光景深,使得比眼睛焦距更近、更远的垂直轮廓保持相对尖锐。这使得动物可以看到站在地面上的物体,以便识别,同时也便于从相关的模糊梯度进行距离估计。 垂直延伸比水平延伸更有利,因为它将短景深轴与地面或水面对齐,从而可以根据伴随的模糊梯度进行深度估计,并且它将长景深轴与垂直轮廓对齐,而垂直轮廓则为用于对象标识。

4、圆瞳(亚圆瞳)的进化策略

在拥有正面视野的伏击食肉动物中

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谁告诉你人类长的是掠食者的眼睛?

不要以为眼睛长在前面而不是两侧就一定是为猎杀动物而演化的——虽然人类确实是地球上有史以来最强的掠食者,黑猩猩也会猎杀一些动物(黑猩猩会捕食猴子),但人类另一个近亲大猩猩可是几乎纯素食的,更远的猴子也基本上是吃素的——它们的眼睛都长在前面。


眼睛长在前面的好处是可以获得立体视觉,而立体视觉有什么用呢?

——当你要捕猎时,可以精确判断猎物的距离。

——当你要在树丛间跳跃移动时,可以精确判断另一颗树或另一根树枝的距离。

所以,灵长类演化出立体视觉根本不是为了捕猎,而是为了适应树栖生活——人类的眼睛不是掠食者的眼睛,而是树栖者的眼睛。

(需要说明一下,树栖动物并不一定都需要立体视觉,那种用爬上爬下的方式在树上移动,需要换一棵树时先下地,再爬上另一棵树的动物,有没有立体视觉不是特别关键,但要在树上跳来跳去就必须要有很好的立体视觉了。)


不过,人类祖先在充“树栖生活”话费的时候,却被赠送了“方便转化为掠食者的立体视觉”这一大礼包,惊喜不惊喜?意外不意外?

不仅如此,我们祖先还多次充话费获赠礼包:

★充“活跃的树栖生活,面对高度复杂性的空间和环境(许多树栖生物相对不活跃,一生死守一棵树或在很小范围的几棵树)”的话费,送“必须演化出高度复杂的大脑以解决复杂问题”礼包;

★充“以富含营养的水果、坚果和小动物为食(而非以没什么营养的草为食)”的话费,送“可以演化出高度发达的大脑”礼包;

★充“抓握树枝”的话费,送“握持工具”礼包和“投掷石块或标枪”礼包;

★充“树栖生活,视野受限,需要借助群居来预警和抵抗天敌”的话费,送“团队协作”礼包和“高度发达的声音交流能力”礼包;

★充“极其复杂的环境和生活方式,必须采用极端的K策略”话费,送“教育及文化传承”礼包。

……


总之,在地球几十亿年的历史中,只有人类进化成为智慧的、能创造文明的物种,这一切的机缘巧合必不可少,人类正是恰好凑齐了发展文明的所有要素才能走到今天这一步的。

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