人的大脑为什么不长在胸腔里,或者说大多动物大脑都在头部,为什么?

人的大脑为什么不长在胸腔里,或者说大多动物大脑都在头部,为什么?

太空僧,2022年新知答主|航天及天文优秀答主

是因为肛门在另一边。

大多数高等动物的大脑都位于头部(这不是废话么。。?) 但是为什么呢?既然大脑很重要,为什么没进化到更安全的地方比如我们身体的正中间心脏那里,或者肚子,哪怕是背对着敌人的屁股那里呢?这或多或少和屁股有关。

时空穿梭机,启动!

让我们穿越回 5-6 亿年前生命大爆发的寒武纪。那时候大多数生命的构造都非常简单。而做为地球“生命之树”最原始的分支之一,水母和长得很像水母的栉水母家族是探索地球动物起源的关键环节,可以说是生物的老祖宗之一了。要知道,我们距霸王龙诞生的年代隔了差不多 6500 万年,而栉水母距霸王龙的时间跨度是 4 亿多年,够它灭绝 6 回都不止了。我们都吃过水母,它躯体柔软且脆弱,身体的主要成分是水(体内含水量可达 98%以上),通常缺少硬体组织,所以保存完整的水母化石在地质记录中较为少见。

我国云南澄江发现的一群硬化骨骼栉水母化石

但好在我们还有栉水母嘛,寒武该时期的栉水母普遍有着硬化骨骼系统。我们从上图里已经能找到它独特的辐翼、辐瓣、以及发达的感觉器及特化的口部。与现代水母两辐射对称的躯体构型相比,该时期的栉水母呈现出原始的八辐射对称体制(有兴趣的同学可以自行延伸阅读:八臂仙母虫、埃迪卡拉化石,扁形动物。嗯,其实应该从扁形动物开始讲的,但我不喜欢它们长得那个样子,还是水母比较有美感)。

N 辐射对称

什么是辐射对称?是指这些生物的身体有多条对称轴。通俗点说,就是从嘴(口面)到肛门(反口)或者 whatever 从哪到哪儿,只要能画一条线轴,然后用菜刀沿这条轴一切,如果能通过 N 种切法把身体分为两个相等的部分,就称为 N 辐射对称。

Anus 肛门,Mouth 嘴,嗯。

比如说像海胆,它没有明显的左右区分,所以如果你从上往下看一个海胆,你会发现可以把它沿多个面(红线标注)对称地切开。无论你怎么下刀,只要过中间的轴线,海胆都会被切成一模一样的两半。没仔细观察过海胆也不要紧,想想切批萨,也是一样的。

水母也是这样,它没有左右区分。它一开始就像一个果冻一样,只是借助海流来移动,但随着时间的推移,可能突然有一天,有只水母心血来潮决定:嗯从今往后我人生有目标了,我只往一个方向游;或者也可能是有一个水母祖先的感觉器官(类似点眼和听石)正好集中在了某一个区域,所以它就更倾向于将这个区域对着前进的方向。于是,生物的运动终于开始有了方向性。(括号内不用看,只为防杠:进化并不是有明确的方向,而是淘汰错误的方向;比拼的不只是合理性,更要考虑偶然性状的普适和遗传性)

配图只是为了好看,嗯。

在运动有了方向性之后,又有了新问题。当需要向前移动的时候,它会觉得如果让嘴巴位于身体的前方的话,能吃到更多的东西嘛。也就是说把消化道的起点放在前面,把屁股放在后面,是件挺好的事儿。等等,这时候水母发现,咦,我没有肛门!

用张现代的图代替一下栉水母老祖宗

当然水母也不是没有肛门,而是时隐时现。当老祖宗想要排泄的时候,体内的废物会向体表推进,最终从内部顶到皮肤上。皮肤上这时就临时开个小洞“长出了一个肛门”,肛管与外层皮肤融合,形成肛门孔,等到排出去用好了就闭合了[1]

那它的嘴呢?嘴就在我们通常看到的有很多须须的那一边。栉水母的“胡须”不是用来游泳的,单纯是用来帮助进食的。虽然听上去还挺原始,但已经比之前那种“口菊一体”的动物强太多了!终于不用在吃东西的时候有屎味了。(嗯,你知道我在说啥)

不知道你看到这里有没有一个画面,水母在水里游的画面。想像一下,哪边是嘴?

对,你吃的水母的嘴是处于背对着运动的方向(后方)!

不过在那个年代,对于软体动物的直系老祖宗来说,这已经挺好了。但是历史的车轮啊滚滚前进噢,总会有人一边观海一边想跳出来大喊”CHANGE(改变)”!它们就是要打破传统,想反正都有两个孔了,为什么前面的是肛门,后面的是嘴呢?如果两个孔反过来,肛门如果在后面的话,也不会被便便糊一脸了嘛?于是,chua 的灵光一闪,它们的口和肛门就换过来了,于是就有了个新名字:后口动物。我们这些个脊索动物门的蓝星两脚怪就是这个后口动物的直系后代。

皱囊虫嘴巴四周有四对锥形的孔洞(鳃孔的雏形)

皱囊虫是目前已知最早的后口动物。它长着大嘴在原始海洋中瞎游,水从大嘴流入身体,然后从锥孔排出,即排泄了废物又进行了气体的交换,从此生物有了更高效的氧气获取方式,支持了更复杂的器官的生成,比如脑子?不不不,它们还不配有脑子。比如尾巴,嗯。

大脑的诞生

在那个弱肉强食的黑暗旧社会里,恶劣的竞争环境逼着所有生物都变成了觅食狂,它们花了几百万年的时间不断演化着,体形也逐渐从辐射对称变成了两侧对称。但仅仅是张着一张嘴朝一个方向游已经无法满足吃货们贪吃的原罪了。它们想,如果能感知到食物在哪儿岂不是更完美?或者如果前面有岩石,我前面有对眼睛的话就会不撞上去了那生活该多美好。于是,那些演化出眼睛、鼻子和耳朵的生物,自然而然的把感觉器官长在了嘴巴附近。这些感觉器官需要完成大量的计算,耗费巨大的能量,所以神经也逐渐在它们附近富集,从而减少与感觉器官的距离,来更快速地应对并处理感觉器官所收集到的信息。随着时间的推移,这些神经变得越来越复杂而强大,最终演化出了中枢神经系统与大脑。

两侧对称

插一段,关于两侧对称。顾名思义,就是生物的身体只有一个对称面,在对称面两侧的部分成镜像对称。

两侧对称、辐射对称,球辐对称

比如上图这只苍蝇,它诞生于 1 亿多年前的白垩纪,如果你把苍蝇从头到脚纵向地一切为二(我小时候可不是这样玩它的,通常我会切掉它的脑袋或者舌头,现在想想好恶心),它基本上就是左右对称,切得好的话,每边都有几乎同样数量的器官。我们发现,大多数两侧对称的动物的大脑都长在头部。

人类

人类不是飞面大神或者哪个女人捏出来的,而是从最低级的生物一点点进化而来的。所以我们也保留了很多原始的古老的屎山代码,凑合着用,没法重新来过。好在人类没有像海星或者蜘蛛那样把中枢神经系统的分布于每条大腿上;也没有像乌贼那样把大脑搞成甜甜圈中间有个洞(脑洞?)好让食道从中通过;也没有像水蛭那样把身体分为 32 个份,每个部分都有一个脑;我们有幸用双腿而不是双臂直立行走,因为这样能看得更远。这就导致了我们消化道末端的屁股位于身体下方,而我们的嘴和眼睛就在上面了。大脑也不得不悬在离地近两米的半空中。加上人类擅长于长距离奔跑,会产生大量的热量,如果脑子在胸腔里的话,还要加上散热的水冷结构,以及额外的热循环系统、水箱、水泵和水(尿不行,太热)。

所以别这样想了,脑子会烧坏的。

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注:本文参考了 Jim Chapman 的《 147 Things 》一书。