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人的大腦為什麽不長在胸腔裏,或者說大多動物大腦都在頭部,為什麽?

2020-11-24科學

是因為肛門在另一邊。

大多數高等動物的大腦都位於頭部(這不是廢話麽。。?) 但是為什麽呢?既然大腦很重要,為什麽沒前進演化到更安全的地方比如我們身體的正中間心臟那裏,或者肚子,哪怕是背對著敵人的屁股那裏呢?這或多或少和屁股有關。

時空穿梭機,啟動!

讓我們穿越回5-6億年前生命大爆發的寒武紀。那時候大多數生命的構造都非常簡單。而做為地球「生命之樹」最原始的分支之一,水母和長得很像水母的櫛水母家族是探索地球動物起源的關鍵環節,可以說是生物的老祖宗之一了。要知道,我們距霸王龍誕生的年代隔了差不多6500萬年,而櫛水母距霸王龍的時間跨度是4億多年,夠它滅絕6回都不止了。我們都吃過水母,它軀體柔軟且脆弱,身體的主要成分是水(體內含水量可達98%以上),通常缺少硬體組織,所以保存完整的水母化石在地質記錄中較為少見。

中國雲南澄江發現的一群硬化骨骼櫛水母化石

但好在我們還有櫛水母嘛,寒武該時期的櫛水母普遍有著硬化骨骼系統。我們從上圖裏已經能找到它獨特的輻翼、輻瓣、以及發達的 感覺器及特化的口部。與現代水母兩輻射對稱的軀體構型相比,該時期的櫛水母呈現出原始的八輻射對稱體制(有興趣的同學可以自行延伸閱讀:八臂仙母蟲、艾迪卡拉化石,扁形動物。嗯,其實應該從扁形動物開始講的,但我不喜歡它們長得那個樣子,還是水母比較有美感)。

N輻射對稱

什麽是輻射對稱?是指這些生物的身體有多條對稱軸。通俗點說,就是從嘴(口面)到肛門(反口)或者whatever從哪到哪兒,只要能畫一條線軸,然後用菜刀沿這條軸一切,如果能透過N種切法把身體分為兩個相等的部份,就稱為N輻射對稱。

Anus肛門,Mouth嘴,嗯。

比如說像海膽,它沒有明顯的左右區分,所以如果你從上往下看一個海膽,你會發現可以把它沿多個面(紅線標註)對稱地切開。無論你怎麽下刀,只要過中間的軸線,海膽都會被切成一模一樣的兩半。沒仔細觀察過海膽也不要緊,想想切批薩,也是一樣的。

水母也是這樣,它沒有左右區分。它一開始就像一個果凍一樣,只是借助海流來移動,但隨著時間的推移,可能突然有一天,有只水母心血來潮決定:嗯從今往後我人生有目標了,我只往一個方向遊;或者也可能是有一個水母祖先的感覺器官(類似點眼和聽石)正好集中在了某一個區域,所以它就更傾向於將這個區域對著前進的方向。於是,生物的運動終於開始有了方向性。 (括弧內不用看,只為防杠:前進演化並不是有明確的方向,而是淘汰錯誤的方向;比拼的不只是合理性,更要考慮偶然性狀的普適和遺傳性)

配圖只是為了好看,嗯。

在運動有了方向性之後,又有了新問題。當需要向前移動的時候,它會覺得如果讓嘴巴位於身體的前方的話,能吃到更多的東西嘛。也就是說把消化道的起點放在前面,把屁股放在後面,是件挺好的事兒。等等,這時候水母發現,咦, 我沒有肛門!

用張現代的圖代替一下櫛水母老祖宗

當然水母也不是沒有肛門,而是時隱時現。當老祖宗想要排泄的時候,體內的廢物會向體表推進,最終從內部頂到皮膚上。皮膚上這時就臨時開個小洞「長出了一個肛門」,肛管與外層皮膚融合,形成肛門孔,等到排出去用好了就閉合了 [1]

那它的嘴呢?嘴就在我們通常看到的有很多須須的那一邊。櫛水母的「胡須」不是用來遊泳的,單純是用來幫助進食的。雖然聽上去還挺原始,但已經比之前那種「口菊一體」的動物強太多了!終於不用在吃東西的時候有屎味了。(嗯,你知道我在說啥)

不知道你看到這裏有沒有一個畫面,水母在水裏遊的畫面。想像一下,哪邊是嘴?

對,你吃的水母的嘴是處於背對著運動的方向(後方)!

不過在那個年代,對於軟體動物的直系老祖宗來說,這已經挺好了。但是歷史的車輪啊滾滾前進噢,總會有人一邊觀海一邊想跳出來大喊」CHANGE(改變)」!它們就是要打破傳統,想反正都有兩個孔了,為什麽前面的是肛門,後面的是嘴呢?如果兩個孔反過來,肛門如果在後面的話,也不會被便便糊一臉了嘛?於是,chua的靈光一閃,它們的口和肛門就換過來了,於是就有了個新名字:後口動物。我們這些個脊索動物門的藍星兩腳怪就是這個後口動物的直系後代。

皺囊蟲嘴巴四周有四對錐形的孔洞(鰓孔的雛形)

皺囊蟲是目前已知最早的後口動物。它長著大嘴在原始海洋中瞎遊,水從大嘴流入身體,然後從錐孔排出,即排泄了廢物又進行了氣體的交換,從此生物有了更高效的氧氣獲取方式,支持了更復雜的器官的生成,比如腦子?不不不,它們還不配有腦子。比如尾巴,嗯。

大腦的誕生

在那個弱肉強食的黑暗舊社會裏,惡劣的競爭環境逼著所有生物都變成了覓食狂,它們花了幾百萬年的時間不斷演化著,體形也逐漸從輻射對稱變成了兩側對稱。但僅僅是張著一張嘴朝一個方向遊已經無法滿足吃貨們貪吃的原罪了。它們想,如果能感知到食物在哪兒豈不是更完美?或者如果前面有巖石,我前面有對眼睛的話就會不撞上去了那生活該多美好。於是,那些演化出眼睛、鼻子和耳朵的生物,自然而然的把感覺器官長在了嘴巴附近。這些感覺器官需要完成大量的計算,耗費巨大的能量, 所以神經也逐漸在它們附近富集,從而減少與感覺器官的距離,來更快速地應對並處理感覺器官所收集到的資訊。 隨著時間的推移,這些神經變得越來越復雜而強大,最終演化出了中樞神經系統與大腦。

兩側對稱

插一段,關於兩側對稱。顧名思義,就是生物的身體只有一個對稱面,在對稱面兩側的部份成映像對稱。

兩側對稱、輻射對稱,球輻對稱

比如上圖這只蒼蠅,它誕生於1億多年前的白堊紀,如果你把蒼蠅從頭到腳縱向地一切為二(我小時候可不是這樣玩它的,通常我會切掉它的腦袋或者舌頭,現在想想好惡心),它基本上就是左右對稱,切得好的話,每邊都有幾乎同樣數量的器官。我們發現,大多數兩側對稱的動物的大腦都長在頭部。

人類

人類不是飛面大神或者哪個女人捏出來的,而是從最低階的生物一點點前進演化而來的。所以我們也保留了很多原始的古老的屎山程式碼,湊合著用,沒法重新來過。好在人類沒有像海星或者蜘蛛那樣把中樞神經系統的分布於每條大腿上;也沒有像烏賊那樣把大腦搞成甜甜圈中間有個洞(腦洞?)好讓食道從中透過;也沒有像水蛭那樣把身體分為32個份,每個部份都有一個腦;我們有幸用雙腿而不是雙臂直立行走,因為這樣能看得更遠。這就導致了我們消化道末端的屁股位於身體下方,而我們的嘴和眼睛就在上面了。大腦也不得不懸在離地近兩米的半空中。加上人類擅長於長距離奔跑,會產生大量的熱量,如果腦子在胸腔裏的話,還要加上散熱的水冷結構,以及額外的熱迴圈系統、水箱、水泵和水(尿不行,太熱)。

所以別這樣想了,腦子會燒壞的。

客官,都看到這兒了,點我頭像加個關註唄! 我保證會寫很多無用的知識給你看的!

註:本文參考了Jim Chapman的【 147 Things 】一書。

參考

  1. ^http://www.bu.edu/biology/people/profiles/sidney-l-tamm/