寒武纪物种爆发的解释

进化论是我们现代科学的几大基柱之一,而在生物学上,它又是我们对物种进化研究的最根本基础,可以说,它已经相当深入人心了。

当然,进化论于如今已经不是一个简单的学说了,它本身就是一门在不断整合新结构并不断进化的科学。不过,万变不离其宗,进化论的核心还是;生物是不断地进化着的,进化的方式是,物竞天择适者生存。

随着科技的发展,如今的各种新发现也在不断地验证着进化论的正确性。通过考古学家的研究,生物确实是不断进化的,高等的生物由低等的生物进化而来,复杂的生物由简单的生物进化而演变,一切新发现都在遵循着“物竞天择,适者生存”的基本规则而循序渐进、有条不紊地展开。

除了那特别碍眼的一部分;“寒武纪物种大爆发”。

这是令达尔文都感到疑惑的事实,他本人甚至认为;该发现将会被用作反对进化论的有力证据。

我们先来简单了解一下寒武纪的物种大爆发;

经过考古学家对化石的研究发现,在距今约5.3亿年前的一个被称为寒武纪的地质历史时期,地球上在仅长达2000多万年时间内突然涌现出各种各样的动物,它们不约而同地诞生、迅速发展。节肢、腕足、蠕形、脊索、鱼类动物等一系列与现代动物形态基本相同的动物在地球上来了个“集体亮相”,这便形成了多种门类动物同时存在的繁荣景象。其中,中国云南澄江生物群、加拿大基布尔吉斯生物群和凯里生物群所构成的世界三大页岩型生物群,为寒武纪的地质历史时期的生命大爆发提供了直接的证据。

这种现象是与普观意义上的达尔文进化论所不同的。在达尔文的进化论中,生物的进化呈倒锥形;由自然选择与遗传变异而从少量的简单生物缓慢地过渡到大量的复杂生物。但根据人们对寒武纪时期的地质研究发现;许多生物是延寒武纪就已经诞生的模样而筛选至今的,应当是一个自下而上种类不断缩减的正椎体。

寒武纪的物种爆发现象吸引了众多的科学家来探讨与寻找原因。经过一百多年的探究,研究者们将研究锁定在了两个方向上,一种是认为寒武纪的爆发实际是一种假象。由于进化是渐进的,所谓的“爆发”只是表明首次在生物化石记录中发现了早在前寒武纪就已经广泛存在并发展的生物,其它的生物化石群则可能由于地质记录的不完全而“缺档”,造成这种“缺档”的原因是前寒武纪地层经历着热与压力,其中的化石被销毁了。由于人们发现前寒武纪化石沉积层中仅存在大量象细菌和蓝藻这样简单的原核生物,这一解释不再有说服力。

另一种观点认为,寒武爆发是生物进化过程中的真实事件,科学家从物理环境和生态环境的变化两个方面来解释这一现象。1965年,两位美国物理学家提出了寒武爆发是由于地球大气的氧水平这个物理因素造成的。他们认为,在早期地球的大气中含有很少或根本就没有自由氧,氧是前寒武纪藻类植物光合作用的产物并逐渐积累形成的。后生动物需要大量的氧,一方面用于呼吸作用,另一方面,氧还以臭氧的形式在大气中吸收大量有害的紫外线,使后生动物免于有害辐射的损伤。

事实上,经过现代技术的测定,大气的氧浓度在寒武纪时期的确有过上升,不过上升期是从埃迪卡拉纪便开始的,且其升幅较20亿年前便具有稳定氧浓度的成冰期并不高,全期浓度平均值为12%,而臭氧层则是于7亿年前便已形成,况且,地球氧浓度确切增高的时期是在石炭纪,而该纪的生物的发展并没那么迅速,想反是比较平稳的,因而此说法具有一定可取性不过可取性并不高,或者说,它并非是导致寒武纪大爆发的直接原因。

不过值得说明的是,成冰期的结束与成冰期前的氧气累积和臭氧层的形成确实给后期的生物提供了发展空间。

还有的一种观点也同样默认,寒武纪的爆发是真实的事件。不过科学家的出发点是有性生殖的产生。

从化石资料上看,9亿年前的真核藻类便已出现了有性生殖,而浮游动物的有性生殖是在更是早已普遍存在。不过,可以说,有性生殖所提供的可变异性确实同样给寒武纪的物种爆发提供了一些加速,但这也不应该是寒武爆发的主要原因。

同样类似的还有收割者理论。在收割者理论中,高等的猎食者会给低等的被捕食者施压,推动其进化,食植性的动物同样会推动植物系统的演化,如此,整个生态系统会共同演化。不过这样的收割是在整个进化中存在的,不存在特殊性,同以上两个原因一样都是副因。

尽管通过这些方式我们并未找到用以解释寒武爆发的准确原因,但寒武纪的爆发在客观上也给我们提供了一种模型;“生物的进化可以是渐进式的,也完全可以是先井喷而后依环境变化进行稳定筛选与进化的”。

但,促成寒武纪大爆发井喷的核心点到底是什么呢?

通过对意识发展变化与神经网络的研究,我来提供一种解释。

神经网络系统的集中。

首先,在寒武纪之前的很长一段时间,地球是被藻类植物与浮游动物统治着的。浮游动物的产生并不奇怪。当初具感觉神经网络的被动捕食式海绵生物脱离了海底岩石表面便可很容易进化成原始的浮游动物,而当浮游动物在海洋内大量繁殖后便统治了地球。

事实发现,早在前寒武纪时期软体动物的大量繁殖前,地球上数量目最多的动物就是这些浮游动物,并且存在了很长一段时期。据已有的发现,水母型腔肠动物是于6.5亿年前就已出现在地球上了(当然这一发现可能仍会被更新至更早)。它们的体内是具有神经网络的,可以对猎物进行感知,不过这种神经网络只限用于感知。

因为它们的神经网络是分散的,不具有中心结构,它们仅能进行被动的猎食不能进行主动的猎捕。

在经历了漫长的演化中,一部分的原始腔肠水母发展了毒液以提高猎捕效率,另一部分被称为浮浪幼虫的水母型腔肠动物由于经常漂浮于海岸便将身体进化为了扁形,并且退化了触手,这些浮浪幼虫率先完成了神经网络的集中进化,成为了可自主进行运动的原始的涡虫型腔肠动物。

这些浮浪幼虫为什么要集中神经网络?

外部原因;

1,扁型的躯体需要特定动作信号的配合运动,而不是单一的以局域性感知进行神经所在局域的单级反射运动。

2,海浪的环境复杂,需要做出更协调稳定的程式化动作。

3,海岸附近的食物量丰富,但具有高效运动行为的个体能够获得更好的发展。

内部原因;

1,触手退化后的神经被整合入了体内,增加了体内的神经数量。

2,这样可以以更短、更细、更少的神经线路做出更简洁迅速的反应,且反应能耗会因此而降低。

神经网络集中后有什么好处?

1,集中后的神经可以作为信息的中枢并在中枢区域进行神经信号的分享,从而用一个信号带动更多的区域进行联动反应(“特定信息共享”)。

2,集中的中枢可以不断地整合进新的躯体感知与运动结构(让新器官的整合成为可能)。

3,集中的中枢可以直接产生信号并给躯体下达运动的指令以“自主运动”。

由于具有了集中的神经中枢,这些涡虫动物们便具有了进化出其他可控制器官的基础,可以不再被动地等待食物的飘来,以协调性较高的自主性运动来寻找食物。

这些具有集中的神经网络的涡虫在硬件上是较那些分散神经网络式的浮游动物有绝对优势的。

因为,分散的神经网络各自为中心,难以有统一结构也无法进行整体的调控。

一个具有分散的神经网络的浮游动物,在有物体刺激到它之前一般不会进行主动运动。因为先天不具备中心性的神经网络无法由某单个区域发出神经信号并传至其它特定区域,除非该生物进化出具体的通路结构。而即便它具有了某些特定的结构,它的结构也将因区域分布原因而难以复杂化,最多如现代的水母一样仅具有简单的围口神经与触手连接的主干通路。由于没有能够进行统一的信息联系与处理的中心,当有物体对它进行刺激了,它将只能依刺激中心进行简单的局部收缩或扩张类的运动。无特定中心便无法发展信息多向特定共享的结构,因而便无法与其它部位进行系统性的合作。当刺激结束,该单一性的运动也将在不久后停止。

而且,没有中枢信息共享的神经结构,当一个新器官经突变产生后,该器官将无法被整合利用,更难以发展。比如涡虫眼点与嗅点的突变,如果发生在一个水母身上,由于没有中枢的神经处理系统,该眼点或嗅点发出的信号将只能延周边的感觉网络传播,而这样的器官,如果遇到光、食物信号的刺激,仅能引起水母身体部分区域的颤动,既浪费能量又无实际应用,因而对水母来说将是一个失败毒瘤。

当动物体将体内的神经网络集中了便会具有不同的效果。

当一片神经网络在不破坏其拓扑结构(尾部依然与本体器官相连接,但整体的网进行了收缩、集中)的情况下被集中到了一起后,网络间便会有可能进行相互接触,接触的结果便是产生新的结构通路。这种情况如果出现在特定的动物身上,比如某一浮浪幼虫与涡虫过度的中间体,就会有可能变成两条分别控制两侧翼进行运动的神经与其负责传递腔口部食物刺激部分的神经线路的被基因突变而融合到了一起,然后,当腔口遇到了食物刺激,两侧翼将会一同鼓动以推动躯体向前进一步的把食物吞食。这将使动物的捕食化被动为主动,且对该过渡体无疑是有利的。如此,当这样的集中进一步发生,这种神经线路搭建的突变也会随之进一步地产生,然后再经过数代的积累,便进化出了第一批的具有特定功能与结构的中枢大脑。

当最初地涡虫型生物完成了神经的集中而进化出初具形态的大脑后会由被动捕食过渡到主动猎捕。随着主动性的提高,它们所接触的环境范围会变大,所接触的方式也会变多,便会受到更多的刺激。这些刺激将在一定程度上促进其基因的突变,在另一程度上也能够对新突变而出的器官进行筛选,不过,最为主要地,其神经中枢的存在使得新器官的整合成为了可能。

对于这些已进化出集中中枢神经的腔肠动物,它们的突变会是无具体规则且低环境压力的,只要有利于自身种群的发展,这些突变就会被保留与发展,因此由它们发展出的新群体会是复杂且多向的,这也将促成由它们进化而出的软体动物们如井喷一样多元化发展。

当它们的发展延S型曲线到达至环境容纳量的顶端时,种群内、种群间的竞争与捕食便也会因此而开始。迫于大体型动物的压力,小体型动物将会以更多的突变求得生存,然后经过突变的累积,这些动物们率先进化出了外骨骼盔甲以躲过大型软体动物的蚕食,然后,它们的进一步发展便带着新一轮的优势而将大量的软体动物们取而代之。而这些具有外骨骼的节肢动物们便同样地在面对了环境的低压力、突变的多元化后呈井喷式发展。

由于盔甲的负重性等原因,这些盔甲型生物只能在海底以爬行的方式来觅食,而面对着底层生存压力的一部分软体动物们便会因此选择在大海的中上层活动,再加上一部分的群体进化出了内骨骼,使得体内肌肉在活动上具有了支点后游泳性大增,它们便于寒武纪后期进化为了原始的鱼类,然后,它们再重回节肢动物们的老路而给其施压、筛选,或者赶至陆地。

寒武纪物种大爆发的模型原因是绝对优势的存在与发展,而其最根本的绝对优势便是集中神经网络的诞生,当然,于其基因方面也应存在部分原因。

最初的浮游动物们由于分散神经网络的原因而在漫长的时期中未得以进化,其基因可以说是求稳的发展,因此可突变性并不高。在具有集中神经网络的软体动物们诞生后,软体动物们及其之后的寒武纪动物便在各种的进化刺激下打开了突变性,并且沿并不足够定型与复杂的机体于统一时期同一起步点连续突变了数千万年,这是其基因弹性因绝对优势打开的结果。

事实上,寒武纪过后的生物并未停止进化,只是由于地球环境的复杂性与绝对优势的不在,生物们都普遍选择了较为稳定的累积变化,其基因也都因而重回稳定,总体上看便是如达尔文进化论的研究一致的。

总归来说,应是神经网络的集中赋予了寒武纪及前寒武纪的生物以绝对的优势开启并联动了数种加速器(比如收割效应、后发先至、基因弹性突增、氧气浓度因收割效应而增加等)共同作用后导致了寒武纪物种大爆发的现象。

还有就是,寒武纪大爆发的确切时期应该要比5.3亿年前要早一些的。因为,在考古与地质学上,较为容易发现的化石是具有骨骼类的动物,而软体类的动物如果要留下物种爆发的痕迹将是相对比较困难的,但不得不说的是,甲壳类的生物爆发正是延续软体类动物爆发的结果。

也就是说,寒武纪爆发的时期应当提前一些。

——田御衡

责编:郑青莹

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