科学家:有些动物无脑或是生存优势

时间:2019/03/13 分类:奇闻异事

一些极为简单的动物已经成功“摆脱”它们的大脑,例如海绵,因为大脑对它们的存活没有任何作用。摆脱对大脑的依赖可能就是它们生存至今的关键所在。 英国伦敦大学国王学院的弗兰克-希尔斯表示:“如果你坐在海床上,只滤食从你身旁流过的食物,你就不需要一个大脑。在这种情况下,有一个大脑是对能量的一 种浪费,你无法让身体保持所需的能量水平。”

  无脑或是生存优势

  海绵不会思索生命的意义或者起源这样的哲学命题。但从某种程度上说,它们的生存能力超过我们人类。这个神奇的家族已经在地球上生存了数亿年之久,利用多孔身体吸取海床上的营养物质存活。它们是一种极为简单的动物,在我们人类看来已经达到可笑的程度。更令人感到惊奇的是,海绵没有大脑,甚至没有任何神经细胞,但它们仍活的好好的。海绵的无脑可能是一个生存优势,是长时间的进化让它们放弃了大脑。一些科学家认为它们一度拥有大脑或者至少拥有一个与大脑非常接近的 器官,但随着时间的推移,它们摆脱了大脑。海绵并不是唯一一种没有大脑的动物。对我们人类来说,大脑是一个必需品,但对于一些动物来说,没有大脑反而生活的更好。

  大脑是无数神经细胞的集合体。很多生物并没有真正的大脑,但它们拥有一张“神经网”,遍布身体各处。然而,海绵并没有这样一张网。人类的大脑起源于40亿年前,当时地球上出现第一批生命。我们最早的祖先是单细胞生物,几十亿年后,更为复杂的生物出现。现在尚不清楚这些更为复杂的动物是否拥有任何神经细胞。

  已知年代最悠久的拥有复杂大脑的动物化石的历史可追溯到大约5.2亿年前。在当时的地球,生物数量和种类都进一步增多,通常被称之为“寒武纪生命大爆炸”。这种已成化石的动物是在中国发现的,外形好似长着爪子的土鳖虫。它们似乎拥有一个精密的类大脑结构,由前脑、中脑和后脑构成,所有这些区域都拥有专门的神经网络。这个化石的发现说明复杂大脑的历史可追溯到5.2亿年前。

  祖先或有神经细胞

  英国伦敦大学国王学院的弗兰克-希尔斯表示,远古时代的海绵也拥有神经细胞。在2010年发表于《大脑、行为和进化》杂志上的一篇论文中,希尔斯提出了一种观点,认为海绵在随后的进化中放弃了神经细胞。实际上,出现这种“进化损失”的动物并不只有海绵。很多动物都在漫长的进化中失去了在我们看来至关重要的器官。例如,生活在漆黑洞穴中的甲壳类动物失去了眼睛。

  系统发育学研究发现了海绵失去大脑的重要证据。这种研究致力于揭示所有不同动物种群之间的关系。研究人员绘制了所谓的“生命树”,就像一张家系图,展示这种关系。科学家长久以来便认为海绵是其他所有现世动物的“姊妹群”。很久以前,它们与海绵分道扬镳,走向各自的进化之路。这也就意味着在所有现世动物中,海绵是与动物祖先最为接近的。新研究发现颠覆了这种观点。

  2008年《自然》杂志刊登的研究论文提出了一种观点并引发混战。研究人员对很多生物的基因片段进行分析,其中包括栉水母或者侧腕水母。这些动物取代海绵,被认定 为其他所有动物的“姊妹群”,是动物祖先的最佳代表。不过,栉水母拥有复杂的神经系统。这意味着它们的祖先——一定是海绵的祖先——可能也拥有这种系统。如果事实如此,海绵一定在进化之路的某个地方失去了神经系统。科学家发现了一些基因证据,证明这一点。美国佛罗里达州大学圣奥古斯汀分校的约瑟夫-莱安表 示海绵拥有很多打造神经系统所需要的基因,但它们并没有神经系统。

  神经系统或是累赘

  摆脱大脑似乎是一个错误的决定,海绵为何要做出这样一个决定呢?首先,大脑会消耗大量能量。人类的大脑消耗20%的能量。海绵是动物家族的觅食高手。它们过滤海水,只吸取其中的营养物质。对于它们来说,神经系统可能是一个累赘。

  希尔斯表示:“如果你坐在海床上,只滤食从你身旁流过的食物,你就不需要一个大脑。在这种情况下,有一个大脑是对能量的一种浪费,你无法让身体保持所需的能量水平。”莱安指出:“我们长久以来一直认为海绵是一种非常原始的动物,没有神经系统。也许,我们应该重新审视这种观点。”#p#分页标题#e#

  海绵并不是唯一一种失去或者简化神经系统的生物。希尔斯表示一些寄生虫与它们的近亲相比失去了原有的复杂性,其中包括吸虫在内。吸虫只拥有非常基本的神经细胞。“一种可能的假设是,寄生这种生活方式让它们无需拥有一个复杂的大脑。”海绵的近亲丝盘虫也是一种非常简单的动物,同样没有神经系统。海鞘在一生之中不断简化它们的大脑。海鞘幼虫拥有发育良好的大脑,然而一旦在海床上定居并发育成年后,大脑便走向退化。不过,没有一个人相信这些动物完全失去了神经细胞和大脑。

  佛州大学圣奥古斯汀分校的神经学家勒尼德-莫洛兹认为海绵天生没有神经细胞,理由是它们不需要神经细胞,它们的祖先也是如此。莫洛兹说:“在长达5亿年时间里,我们的祖先与它们拥有相同的生态学特征,同样的滤食行为以及有限的身体运动。”无论是海绵还是丝盘虫都不拥有莫洛兹所说的“神经元基因”,也没有任何化石证明它们曾拥有神经细胞。

  大脑进化不止一次

  在它们的祖先以及海绵的祖先没有神经系统之时,栉水母为何进化出如此复杂的神经系统?莫洛兹给出的答案是大脑的进化不止一次。在2013对栉水母基因组完成 测序之后,科学家发现它们拥有非常独特的基因。莫洛兹用“好似外星生物”形容栉水母。“它们的分子结构与地球上的其他动物截然不同。”不知何故,它们进化出神经系统。莫洛兹说:“大自然用事实告诉我们形成神经细胞的方式不只一种。我们可以采用完全不同的原则设计神经细胞。大自然要比我们认为的更富有革新性。”

  器官不止一次进化早有先例。眼睛等一些器官在很多动物身上都经过数次进化。章鱼的眼睛与人类截然不同。莫洛兹表示这说明不止一次进化出复杂结构的可能性是存在的。在2015年3月于英国伦敦举行的皇家学会会议上,科学家就这一观点展开讨论。莫洛兹和希尔斯观点不同,都有相关研究的支持并且都坚信自己是正确的。伦敦大学玛丽皇后学院的安格利卡-斯托勒沃克表示我们尚未找到确切答案。我们掌握的证据证明每一种观点都有成立的可能性。也许,神经系统经历过两次进化又或者在海绵身上退化。

  化解这场争论并不是一件容易的事情。科学家需要找到高品质的早期海绵和栉水母化石,以确定它们的祖先是否拥有大脑。无论是哪一种情况,海绵的无脑都在提醒我 们有关进化的一个所谓“标准理论”是错误的。我们很多人认为进化是一个从简单到复杂的过程,简单的生物逐渐进化成复杂的生物。这种观点并非始终成立,某些 生物沿着相反的方向进化,还有一些生物在长达数百万年时间里不发生任何改变。海绵就是一个最好的例子。它们没有思想,没有可供它们进行思考的大脑,但它们仍在地球上生存了数亿年之久。它们不需要让自己变得更复杂,智商对它们的生存没有太大意义。 #p#分页标题#e#

洞穴中的甲壳动物负责视觉的大脑部分失效

生活在完全的黑暗中,让这些甲壳类动物在数百万年的进化历史中失去了眼睛。

据国外媒体报道,研究人员对三个不同的甲壳类物种进行了研究,每一种都代表了同一甲壳种类中的不同种族。研究发现,正是进化促使它们做出了这种适应性的调整。其中没有一种生物是拥有眼睛的,但是其中一些仍然保留了眼柄。

软甲纲(malocostracans)动物还包括龙虾、基围虾、木虱等更为我们所熟知的动物,但是本次研究主要针对的是三种发现于20世纪的小型生物。这项研究也是首次对这些神秘动物的大脑进行相关研究。

研究的首席作者,来自德国罗斯托克大学的Martin Stegner博士称:“我们这次研究的三个物种,全都来自于洞穴。它们都是非常罕见而且难以捕获。”他的同事在百慕大海岸、南非桌山(Table mountain)和意大利蒙泰亚尔真塔廖(Monte Argentario)捕获到了这些生物。

这些动物样本是腌制的而非活的,因此研究团队无法观察到它们的脑部活动。但是,研究人员观察了它们的脑部形态,并与这些动物已知近亲的大脑功能进行了对比。他们借助显微镜对这些动物的脑组织进行了分类研究,并且也对这些生物最近的共同祖先的大脑形状进行了推测。

Stegner博士对BBC新闻记者称:“我们所做的就是观察它们的脑部结构,并且在进化环境的基础上对其进行解答。”有趣的是,它们控制触觉和嗅觉的脑部区域在200万年的进化历史中保持了不变甚至是扩大,而它们的大脑视觉区域出现了萎缩。

Stegner博士称:“也许对于那些长期生活于黑暗中的生物而言,经过许多代的繁衍之后,大脑视觉部分开始不断的萎缩并非什么奇闻。但是这一物种的退化行为尚未得到确证,而且这种变化的速度也是相当惊人的。与该种群的其它甲壳类相比,它们视觉的退化更加戏剧性。这也是生活环境改变神经解剖学的一个完美案例。”

此外,这也让我们了解到大自然在进化过程中会抛弃掉的不必要的组件。Stegner博士称,这一种群的所有生物都是没有眼睛,但是其中一些只有眼柄。在这些生物进化出现在这种大脑形态的过程中,巨大的超级大陆冈瓦纳大陆分解成今天的大陆板块。这也是Stegner博士的三个样本处于不同地方的原因这一

哺乳动物脑中发现神经3D罗盘

动物的大脑有的还是有用的。飞行员要训练防止眩晕,因为眩晕会导致突然失去垂直方向感而不能辨别上下方位,这可能导致飞机失事。科学家认为,这种情况是脑中一个功能类似于3D罗盘的脑区暂时出了故障。最近,以色列魏茨曼科学研究所利用蝙蝠实验,首次证明了哺乳动物脑中存在这种3D罗盘,这些特定的神经元能感知动物的头正朝向哪个方向,以此帮它在三维空间里导航。相关论文发表在最近的《自然》杂志上。#p#分页标题#e#

  辨别方向要靠空间记忆,这种记忆主要在脑深处的海马结构区形成。在哺乳动物中,有3种不同的细胞分布在海马结构区的不同位置,构成了导航系统的主体:“地方”与“网格”细胞就像GPS,让动物能跟踪自己的方位;“头部方向”细胞,就像罗盘,当动物的头指向一个特定方向时会做出反应。有关“地方”和“网格”细胞的研究已经很多,并获得了2014年诺贝尔生理或医学奖。但“头部方向”细胞是直到最近才开始以二维形式在小鼠中研究的,对大脑如何编码三维方向就了解得更少。

  研究人员开发出一种跟踪装置,能以视频检测头部三个角度的转动——飞行术语中叫做偏航、俯仰和滚转。据物理学家组织网12月4日(北京时间)报道,他们用这种装置观察了自由飞行的埃及果蝠,通过植入微电极监测蝙蝠的神经活动。借助微电极记录显示,在海马结构的一个特殊亚区,神经元也会调整到与头部一致的特定三维角度:只有当动物的头指向该三维角度时,特定神经元才会被激活。

  新研究首次揭示了大脑怎样结合水平线来计算垂直方向感。在神经罗盘中,水平和垂直方向是分开处理的,复杂程度也不同:在反应水平面上的方向时,海马结构一个亚区的头部方向细胞被激活,帮它在二维平面定向;而对垂直运动起反应的细胞,即三维定向,位于另一个亚区。研究人员认为,二维朝向细胞是为水平运动服务的,比如人们在开车时;而三维细胞对复杂的三维空间运动非常重要,如攀爬树枝,人类在多层建筑中移动,或驾驶飞行器。

  他们还在倒挂蝙蝠身上进一步实验,研究蝙蝠的脑怎样计算出头部方向信号,发现它们脑中有一种极高效的圆环坐标系,可执行这些计算,使蝙蝠能在空中给自己迅速定位,无论它们向上还是向下运动。

  本研究支持了海马结构中头朝向细胞具有三维神经罗盘功能的观点。虽然是对蝙蝠的研究,但科学家认为,这一发现也适用于不能飞行的哺乳动物,包括在树枝间跳跃的松鼠、猴子,以及人类。

以色列科学家尝试电子芯片植入动物大脑实验

  据外国媒体报道,近日,以色列科学家最新进行的一项令人惊讶具有争议性的科学创新实验显示,电子芯片可用于替代活体动物大脑的残损部分。

  这项研究实验在科幻小说和科幻电影中曾多次出现,例如:科幻电影《终结者》中的半肉体半机械的机械人。目前,以色列特拉维夫大学的研究人员成功地建造出一种芯片能够代替肢体的运动功能,将这种电子芯片植入老鼠大脑可实现眨眼。

 

  科学家希望这项技术未来能够帮助患者帕金森氏症的大脑残疾患者,使用芯片替换受损身体组织,从而实现相同的功能。#p#分页标题#e#

特拉维夫大学心理生物学家马迪-明兹教授在接受英国广播公司记者采访时说:“想像一下如果大脑的较小区域组织出现故障,同时我们理解该受损大脑组织的结构。因此我们将试着用电子芯片替换受损的大脑组织。”

  明兹现已成功地将一个机械小脑植入老鼠的受损大脑头骨,从而能够恢复活动能力。然而反对活体解剖的人士描述这项实验是“奇形怪状”的。他指出,这种机械小脑具有活动协调性。

  当连接接通老鼠大脑,这个“机械小脑”可以接收、解析、传输来自大脑干细胞的感知系统,从而促进大脑和身体之间的沟通。为了测试身体和大脑之间的这种机械界面,研究人员训练大脑组织受损的老鼠每当听到一种特殊声调时就眨眼。

当它的机械小脑处于运行状态下,大脑组织受损的老鼠便能完成这些活动。据研究人员称,这种电子芯片可用于设计模拟自然神经活动性。

  明兹教授在英国剑桥市召开的隐性衰老工程策略会议上发表了这项研究成果,他说:“通过这项研究我们可以证实能够记录大脑的信息,以类似于生物网络的形式进行分析,然后再反馈至大脑组织。”

  未来这种机械小脑结构有望引领电子植入技术,为大脑伤残人类患者带来福音。然而,英国反对活体解剖联盟负责人简-克瑞莫尔在接受英国广播公司记者采访时说:“这种类型的研究具有一定的伦理道德争议,使一些可怜的动物将生命浪费在具有不确定的实验之中。”



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