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簡史原創(chuàng) 2016-04-03 不署名的獸醫(yī) Anonymous Anonymous植物大戰(zhàn)僵尸 - 來自Anonymous- 00:00 / 01:59本篇文章由我們的獸醫(yī)提供，專業(yè)性有！點(diǎn)！強(qiáng)！腦部的進(jìn)化千百年來，人類苦苦探尋自己的由來，這種情愫遍及整個文明。然而直到最近，我們才開始揭示人類最神秘的謎團(tuán)：人腦。它是人類進(jìn)化最大的成功，也是所有這些疑問產(chǎn)生的地方。我們的腦部包含數(shù)以億計的細(xì)胞，稱為神經(jīng)元，這些細(xì)胞彼此聯(lián)系，組成了活體的電路板，我們所有的思想、習(xí)慣，乃至呼吸的節(jié)律，都源于此處。許多生物都有腦，可是在腦的復(fù)雜性、以及相對于身體的大小上，我們的腦是獨(dú)一無二的。那么，百萬年來，古代的生物腦經(jīng)歷了多少進(jìn)化，才最終形成了精密的生物計算機(jī)？此圖示意人腦中神經(jīng)元之間的聯(lián)系?；贛RI Dataset（磁共振數(shù)據(jù)庫）上提供的人體掃描數(shù)據(jù)Thomas Shultz.不幸的是，腦組織柔軟均質(zhì)的性質(zhì)讓我們無法直接根據(jù)化石還原它的原貌。骨骼如果埋在適當(dāng)?shù)牡貙又锌梢孕纬苫?，永遠(yuǎn)保存下來。但是腦會很快分解，幾乎不留痕跡。雖然化石不能直接告訴我們古代的腦是什么樣子，顱骨的化石可以提示我們古代的腦需要一個什么樣的容納空間。相似地，雖然大部分物種的共同祖先已經(jīng)滅絕了，還是有眾多現(xiàn)存物種可以用于推斷腦演化和遞增的過程。舉例說來，在現(xiàn)存的脊椎動物中，（同時具有脊柱和脊神經(jīng)索的動物）可以發(fā)現(xiàn)隨著動物從水生演化到爬行，再到直立行走，腦的構(gòu)造也變得更發(fā)達(dá)，更復(fù)雜。不過，請記得，比較現(xiàn)存物種只能獲得針對腦部演化史的間接觀察。與人類和魚類的共同祖先相比，現(xiàn)代魚類也經(jīng)過了百萬年的進(jìn)化。然而，腦部的演化史比起我們的動物近親所能展示的更加久遠(yuǎn)。實(shí)際上，它的歷史可以追溯到第一個神經(jīng)元的誕生。而神經(jīng)元構(gòu)成腦----即便是最簡單的腦。為了理解腦的產(chǎn)生，我們必須了解那些最初的生命形式如何成功并及時地對外部環(huán)境做出反應(yīng)。人腦的演化從細(xì)菌的時代就開始了。細(xì)菌也可以思考（在一定程度上）顯然，細(xì)菌這樣單細(xì)胞的生物是不會再長出一個額外的神經(jīng)細(xì)胞來形成腦的。然而，現(xiàn)代的基因?qū)W愈發(fā)傾向于認(rèn)為細(xì)菌內(nèi)存在著比細(xì)胞更微小的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)人腦的功能，那就是——離子通道。離子通道是一些大分子蛋白質(zhì)，能夠選擇性地允許特定的離子（也就是帶電荷的分子）出入細(xì)胞。在人腦，以及哪怕是腦結(jié)構(gòu)最原始的動物當(dāng)中，離子通道也是神經(jīng)元之間交流、發(fā)出信號的關(guān)鍵方式。它允許信息在各個神經(jīng)細(xì)胞之間傳遞。這有點(diǎn)像是電荷通過一根電線。腦做出的每一個反應(yīng)都基于這種通信方式。令人著迷的是，很多人類神經(jīng)細(xì)胞中的離子通道也同樣存在于細(xì)菌這樣古老原始的生物中，因?yàn)楸磉_(dá)出這些通道的基因也同時存在于細(xì)菌當(dāng)中。但是如果細(xì)菌沒有神經(jīng)元，它要離子通道有什么用呢？一些細(xì)菌同時具備機(jī)械敏感性通道[注1]以及產(chǎn)生運(yùn)動的推進(jìn)類細(xì)胞器[注2]。這同時賦予了它們最原始的觸覺和運(yùn)動能力。在單一的細(xì)菌細(xì)胞里，感覺，以及信息處理（也可視為原始的“記憶”）以及反之間相互協(xié)調(diào)，部分依賴于這些離子通道。同樣的離子通道也傳遞著人腦中的信號。在有機(jī)體通過神經(jīng)元來建立神經(jīng)系統(tǒng)之前數(shù)個世代，離子通道就幫助細(xì)菌實(shí)現(xiàn)與外環(huán)境的相互作用了。注1：機(jī)械敏感性性離子通道是一類對細(xì)胞膜張力敏感的通道。就是說其開放概率（Ｐ０）隨著細(xì)胞膜的張力而變化，毛細(xì)胞、壓力受體、肌梭、血管內(nèi)皮、感覺神經(jīng)組織等都有這類通道的分布。細(xì)胞生長的調(diào)節(jié)也通過這樣的通道建立起來的系統(tǒng)來感受大小和形狀的生理變化。癌細(xì)胞的無限制生長是建立在機(jī)械信號轉(zhuǎn)導(dǎo)崩潰基礎(chǔ)上的。注2：說的很神秘，其實(shí)就是鞭毛和纖毛。細(xì)菌展示了它們?nèi)绾卧谂囵B(yǎng)皿中運(yùn)動。這種運(yùn)動不像看上去一樣雜亂無章，因?yàn)椴糠滞ㄟ^離子通道，細(xì)菌能夠感知到他們所處的環(huán)境并作出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。作為一個會思考的物種，我們有時會錯誤地假設(shè)復(fù)雜的生物結(jié)構(gòu)，比如神經(jīng)元，是專門為傳遞腦部的信號而進(jìn)化出來的。但是進(jìn)化本身進(jìn)化出“思想”的唯一目的就是保證現(xiàn)存物種的延續(xù)，而不是為了將來的物種需要而準(zhǔn)備一個復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。離子通道必須對產(chǎn)生它的最早的生物有所幫助，才會被未來的子代繼承。因此，細(xì)菌最原始形態(tài)的“思考”的存在實(shí)際上遠(yuǎn)遠(yuǎn)先于那些我們認(rèn)為思考所必要的結(jié)構(gòu)（神經(jīng)細(xì)胞和腦）的誕生。細(xì)菌的離子通道提示我們，感知和反應(yīng)的能力在沒有神經(jīng)細(xì)胞的原始生命當(dāng)中經(jīng)過了緩慢的進(jìn)化，最終形成了今天動物體內(nèi)特化的神經(jīng)系統(tǒng)。海綿是最早長出突觸的動物嗎?在幾十億年的時間里，細(xì)菌和他們單細(xì)胞的表親(古菌)曾經(jīng)是地球上唯一的生命形式。直到后來，它們家族當(dāng)中的某些成員彼此粘著，形成了早期的多細(xì)胞生物。這個進(jìn)步使得生命以從未有過的姿態(tài)綻放。Nick Hobgood攝影600萬年前，千姿百態(tài)的多細(xì)胞生物的興盛席卷了當(dāng)時的地球，海綿動物則可以作為這一浪潮的代表。海綿的身體是由非常簡單的細(xì)胞的復(fù)制構(gòu)成的。（它的身體沒有器官，也沒有神經(jīng)系統(tǒng)之類的）然而，這些構(gòu)造簡單的細(xì)胞團(tuán)利用細(xì)胞膜上的蛋白實(shí)現(xiàn)彼此的交流。令人驚訝的是，人類神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的突觸也必須依賴相同的蛋白質(zhì)來構(gòu)建。突觸是兩個神經(jīng)細(xì)胞之間的關(guān)節(jié)，它允許神經(jīng)細(xì)胞把信號傳遞給另一個神經(jīng)細(xì)胞。與細(xì)菌的離子通道相類似，這些“突觸蛋白”直接存在于沒有突觸的海綿細(xì)胞里。我們的神經(jīng)系統(tǒng)（腦和神經(jīng)）很可能就是從這些原始細(xì)胞的新部件里衍生出來的?？茖W(xué)家稱這個過程為擴(kuò)展適應(yīng)（exaptation），這是一種不太受歡迎的進(jìn)化形式?？梢园阉氤晌锓N進(jìn)化過程的“舊物改造”。和自然選擇當(dāng)中普遍的適應(yīng)相比，擴(kuò)展適應(yīng)體現(xiàn)了一個結(jié)構(gòu)對其他功能的可塑性和潛能。羽毛讓今天的鳥類可以飛行，但是鳥進(jìn)化出羽毛可能是為了適應(yīng)完全不同的功能。早期的原始羽毛很可能是用來協(xié)助恐龍吸引異性的。鳥能夠飛上天，完全是因?yàn)橛鹈臄U(kuò)展適應(yīng)。相似的，神經(jīng)系統(tǒng)的演化也是來源于非常簡單的構(gòu)造，其功能不過是協(xié)調(diào)細(xì)胞的聚集，和基本的感知。Ramon Y. Cajal 于19世紀(jì)匯至的神經(jīng)元的樣本科學(xué)家對神經(jīng)細(xì)胞的起源仍然有激烈的爭議。有一個十分招人喜歡的設(shè)想：有一個動物細(xì)胞，能夠感知外界并且擁有細(xì)菌一樣的行為，然后這種功能被分配到了兩個獨(dú)立的細(xì)胞里，一個成了神經(jīng)細(xì)胞，另外一個是肌肉細(xì)胞，兩者繼續(xù)親密無間地在分子層面上交換著信息。然而，也很難排除另外一種可能，即這兩個細(xì)胞是獨(dú)立形成的，然后發(fā)現(xiàn)了彼此交流的方式。而后者符合絕大多數(shù)動物的發(fā)育規(guī)律。然而，由于沒有最早的神經(jīng)細(xì)胞的化石，所以這兩種假設(shè)的爭議還會持續(xù)下去。神經(jīng)的產(chǎn)生引起動物生命的劇變海綿出現(xiàn)之后僅僅五千萬年，各種海洋蠕蟲和腔腸動物就誕生了。這些多細(xì)胞生物已經(jīng)具備真正的神經(jīng)細(xì)胞，它們的神經(jīng)細(xì)胞同時具有離子通道和突觸，松散地組成了網(wǎng)狀神經(jīng)。網(wǎng)狀神經(jīng)是由幾個獨(dú)立的神經(jīng)細(xì)胞彼此聯(lián)系形成的。和人腦中神經(jīng)細(xì)胞高度密集的情況非常不同，這些細(xì)胞十分稀疏地分布在這些簡單的海洋生物的口周圍。網(wǎng)狀神經(jīng)已經(jīng)足以支持十分簡單的捕食行為，比如捕捉，這極大地降低了動物獲得食物的難度。事實(shí)證明，即使是擁有最原始的神經(jīng)系統(tǒng)，也能為動物在地球上生存帶來巨大的優(yōu)勢。這些新生的動物不斷地演化，它們的網(wǎng)狀神經(jīng)也隨之變化著。網(wǎng)狀神經(jīng)的動物由一類發(fā)展成了3個完全不同的族群：頭足動物（章魚烏賊鸚鵡螺）腹足綱（各種螺、蛞蝓、海兔），和雙殼綱 (各種貝類)。（注：海參雖然和海兔長得很像，但是它不屬于腹足綱，也不是軟體動物。各種貝類里，虎斑貝這種一個殼的，實(shí)際上是螺，屬于腹足動物。不是雙殼綱。）頭足動物具有復(fù)雜、發(fā)達(dá)的腦部，腹足動物的頭部也有集中的神經(jīng)細(xì)胞，稱為神經(jīng)節(jié)。而雙殼綱只有簡單的網(wǎng)狀神經(jīng)。你可能會推測雙殼綱動物最早產(chǎn)生，而頭足動物是之后出現(xiàn)的。因?yàn)槔碚撋?，簡單的腦部應(yīng)該先于復(fù)雜的腦。（注：雖然頭足綱動物也叫腦，而且也很聰明。但是它和你的腦還有很大很多的不同。如果你在生物試卷上答章魚有大腦，老師會抄起恐龍腿骨化石揍你的）一只條紋蛸，這種頭足動物會“輕手輕腳”地移動，還懂得搬運(yùn)附近的貝殼作為掩體。Nick Hobgood攝但是！DNA鑒定得出了不同的結(jié)論。通過分析這三個動物族群的DNA，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)頭足綱較早從軟體動物當(dāng)中分支出來，遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于腹足綱和雙殼綱。而和傳統(tǒng)觀點(diǎn)相反，三類動物的腦是彼此獨(dú)立演化的。這也提示了另外一種可能，即軟體動物的共同祖先有著較為復(fù)雜的神經(jīng)系統(tǒng)，而雙殼綱動物的腦退化掉了，以適應(yīng)其泥瓦匠的生活方式。不得不承認(rèn)，最初的神經(jīng)細(xì)胞和腦如何產(chǎn)生的問題仍然懸而未決（注：那你廢這么多話?。?。越來越多的基因數(shù)據(jù)傾向于認(rèn)為腦沒有一個共同的進(jìn)化祖先，而是許多動物種類都分別演化出了腦的結(jié)構(gòu)。如果進(jìn)化獲得了正確的材料，它很可能會反復(fù)地使用一個相近的方案來解決相同的問題。劇情大反轉(zhuǎn)鋪墊一下：這里開始介紹脊索動物了。脊索動物門包括了脊椎動物亞門、頭索動物亞門、尾索動物亞門。脊椎動物亞門就是我們，包括了從魚到人的所有脊椎動物。頭索和尾索雖然有脊索，但是沒形成脊柱。其代表分別就是文昌魚和海鞘。大約就在軟體動物分化的同時，其他的動物正在“試圖”進(jìn)化出脊索，并且將神經(jīng)分布到它們四周。這種新的神經(jīng)系統(tǒng)的組織形式，其特征為貫穿背部，具有骨性結(jié)構(gòu)保護(hù)的神經(jīng)系統(tǒng)，成為了腦進(jìn)化史中一次重要的反轉(zhuǎn)。加州大學(xué)伯克利分校的發(fā)育生物學(xué)家Phil Abitua專門研究一種細(xì)胞，稱為“神經(jīng)嵴”。這一構(gòu)造促進(jìn)了脊椎動物神經(jīng)系統(tǒng)的演化。Abitua所在的實(shí)驗(yàn)室是UC Berkeley的萊文實(shí)驗(yàn)室，該機(jī)構(gòu)正在尋找原始的神經(jīng)嵴細(xì)胞和脊髓神經(jīng)系統(tǒng)的起源。“神經(jīng)嵴細(xì)胞極度強(qiáng)大。它們能夠分化成你體內(nèi)的所有的色素細(xì)胞、絕大多數(shù)的外周神經(jīng)系統(tǒng)、還有頭部的顱骨和軟骨?！盇bitua如是說道。這些細(xì)胞在胚胎發(fā)育中擔(dān)任了非常重要的角色，它們從動物發(fā)育中的頭部遷移出來，穿過了身體。神經(jīng)嵴細(xì)胞也形成了下頜，這對捕獵的脊椎動物來說至關(guān)重要。一條文昌魚，這種長得和普通魚類一樣的動物實(shí)際上是現(xiàn)存的動物當(dāng)中和脊椎動物關(guān)系最近的近親。Hans Hillewaert攝（注：脊椎動物指的是脊椎動物亞門，不但要有脊索，還要有脊椎骨。）文昌魚長得就像一條細(xì)長的魚。許多年來，科學(xué)家們相信它是原始脊椎動物最后的祖先之一。而萊文實(shí)驗(yàn)室更關(guān)注一種相對冷門的生物，就是海鞘，大部分人只知道它會朝著好無防備的潮汐動物噴射海水。雖然頭索動物(比如文昌魚)看上去更接近脊椎動物，但是廣泛地比對各種脊索動物的基因后得出，海鞘與脊椎動物的關(guān)系更加密切。Abitua解釋說。如果海鞘比文昌魚更接近于脊椎動物的祖先，那么很可能能在海鞘內(nèi)找到發(fā)育成神經(jīng)嵴細(xì)胞的初始細(xì)胞祖先。這是一只金黃多果海鞘Nick Hobgood攝但是研究海鞘的神經(jīng)嵴細(xì)胞如何能夠幫助我們定位脊椎動物神經(jīng)系統(tǒng)的起源呢？要知道，海鞘自己也只在胚胎時期擁有神經(jīng)嵴細(xì)胞，發(fā)育之后就完全退化掉了。如果我們只對進(jìn)化的最終結(jié)果，也就是大腦感興趣的話，何必要研究胚胎發(fā)育呢？近幾十年，發(fā)育生物學(xué)令人信服地證明了胚胎發(fā)育和基因序列可以幫助我們還原進(jìn)化的許多過程。特定的基因要在發(fā)育過程的特定時間表達(dá)出來，才能讓相應(yīng)的性狀，比如手和腦部，在正確的時期形成。研究發(fā)現(xiàn)，所有動物（注：他應(yīng)該是說所有脊椎動物。）的早期胚胎發(fā)育都是由相近的基因表達(dá)模式調(diào)控的。而這部分基因高度保守，這就是說許多動物都靠同樣的基因來調(diào)控其早期胚胎發(fā)育?？刂启~類眼球形成的基因也控制其他脊椎動物——包括人類——的眼球形成。在進(jìn)化樹的遠(yuǎn)處，某個魚類和人類共同的祖先產(chǎn)生了一段保守的眼部基因，并且形成了一個具有形成眼部潛能的古代器官。在這些線索當(dāng)中，Abitua發(fā)現(xiàn)大量的有關(guān)脊椎動物神經(jīng)嵴形成的基因也在發(fā)育中的海鞘內(nèi)表達(dá)。然而，這些基因調(diào)控形成的細(xì)胞不像脊椎動物那樣遷移，也不能進(jìn)一步分化成色素細(xì)胞以外的細(xì)胞。是什么抑制了這些“類神經(jīng)嵴”細(xì)胞像脊椎動物的神經(jīng)嵴細(xì)胞那樣的發(fā)育呢？Abitua發(fā)現(xiàn)這兩種細(xì)胞有一個迷人的基因差異：一個被稱為“Twist”的基因，它在所有已知的脊椎動物神經(jīng)嵴內(nèi)存在，然而它在海鞘內(nèi)缺失了?！癟wist”會是造成海鞘神經(jīng)嵴不能遷出和分化的原因嗎？通過一種萊文實(shí)驗(yàn)室先導(dǎo)，至今已有幾十年的技術(shù)，Abitua可以把一段外源的基因?qū)牒Ｇ逝咛サ奶囟?xì)胞內(nèi)。于是他將“Twist”導(dǎo)入了早期的海鞘胚胎細(xì)胞，然后靜觀其變。令人吃驚地，僅僅一條基因，就徹底改變了這些細(xì)胞的命運(yùn)。它們從它們正常的位置遷移出來，而且竟然分化成了另一種細(xì)胞類型。海鞘的“類神經(jīng)嵴“細(xì)胞不僅在原始的基因表達(dá)上與脊椎動物相似，而且這個實(shí)驗(yàn)證明了海鞘神經(jīng)嵴細(xì)胞具有表現(xiàn)出脊椎動物神經(jīng)嵴細(xì)胞行為的潛質(zhì)。Abitua成功地促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)中的海鞘個體的進(jìn)化。表達(dá)“twist”不是讓神經(jīng)嵴演化的必要條件，不過這個實(shí)驗(yàn)展示了單一的一段基因具有的強(qiáng)大力量，Abitua說。你可以想象，某些原始的祖先本來有些小小的色素斑點(diǎn)。然后經(jīng)過兩輪完整的基因復(fù)制，它獲得了在那個色素點(diǎn)表達(dá)“twist”的能力，然后這些細(xì)胞繼續(xù)分裂、擴(kuò)張到整個動物內(nèi)。于是，這個神經(jīng)嵴的前身可以提供一些優(yōu)勢，保護(hù)這種動物減少紫外線的傷害?！?div style="height:15px;">