謝伯讓《大腦簡史》:為什麼生物的重要感官與神經細胞大多集中在頭部?

謝伯讓《大腦簡史》:為什麼生物的重要感官與神經細胞大多集中在頭部?
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我們想讓你知道的是

中樞神經系統發展出來後,很快就把內分泌系統的主導權收回手中。前腦中的下視丘和腦下垂體,變成了內分泌系統的首腦,強力主宰了身體的內分泌系統。至於體內的各種消化、循環、呼吸等系統,也在交感神經和副交感神經的支配下,全面俯首稱臣。

文:謝伯讓

窮兵黷武的競賽

武器就像金錢,永不嫌少。——英國小說家阿米斯

在「身後士卒、集權中央」的演化要領之下,神經細胞很快就聚集成神經系統,並由地方自治的分散式神經網絡,轉變成中央集權的集中式神經網絡,而且它們也愈來愈往身體中央較安全的地方靠攏,並形成脊索。於是,最早的脊索動物就出現了。

原始脊索動物的神經索,其實還看不到「腦」的蹤跡。也就是說,整條神經索從頭到尾的粗細都差不多,頭部的神經索並沒有特別大。在這個演化階段中的生物面臨了一個困境:無法把大部分的資源集中用於資訊最豐富之處,換言之,就是不能物盡其用。

要了解其中緣由,我們就必須先來分析一下當時生物的運動模式。看看到底是什麼樣的演化因素,導致現今生物的許多重要感官和神經細胞都往頭部集中。

注意前方

由於生物在運動時,通常會以身體的某一端作為前進端。因此前進端的資訊對於運動、獵食、躲避、尋找配偶等行為就顯得格外重要。在僅擁有原始神經索的生物身上,前進端的神經索並沒有特別發達,牠們也因此陷入了無法物盡其用的窘境。不過在演化的壓力下,這個狀態迅速出現改變,在身體前進端有較強感官能力的生物很快脫穎而出。

想要讓身體的前進端出現較強的感官能力,就必須擁有兩個要素。第一個要素,就是要把感覺受器放在身體的前進端,例如置於前端的感光系統、嗅覺系統等。另一個要素,就是要擁有專門用來處理這些感官資訊的特化神經網絡。

當感覺器官和前端特化的神經區域都出現之後,身體的前進端才稱得上是真正的「頭部」,此時生物也開始演化出內在定位系統,如此才能隨時知道頭與身體的相對位置,以利於運動和轉向。於是神經索前端的「腦」終於有了雛形!

最原始的腦,就只是神經索前端的三個特別發達的區域:前腦(forebrain)、中腦(midbrain),和後腦(hindbrain)。前腦負責處理嗅覺和視覺,後腦負責處理來自頭部的感覺(觸覺和味覺)、內臟感覺、平衡感以及聽覺。至於中腦,則負責整合感覺資訊以進行轉向和逃跑等運動控制。

在人腦中,前腦演變成了大腦皮質、邊緣系統、視丘和下視丘。後腦演變成小腦、橋腦和延髓。中腦則包括了上丘與下丘,分別和視覺與聽覺訊息處理有關。

先安內:集權、集權,再集權

在第二章的最後,我們曾經看到體細胞的最後反撲。現在,在由簡單生物逐漸演化成複雜人類的這條路上,神經系統已經演變成中樞神經系統,而體細胞也已經完全喪失了革命能力,只能乖乖服從神經系統的領導。除此之外,體細胞和其他生理系統的某些「權力」,也正在被中樞神經系統一步步的蠶食鯨吞。

比方說,在神經系統出現之前,生物體對環境刺激做出的運動反應必須依靠地方自治:局部的神經和肌肉活動。當一個部位被刺激時,只有該部位的肌肉能夠做出回應。但是在神經系統介入接管之後,局部的刺激就會被傳導回中樞神經系統,幫助生物體做出更全面且靈活的反應,成為中央集權的模式。

在生存競爭的過程中,這種「中央集權型生物」的可塑性和應變彈性遠遠超過了「地方自治型生物」。以海綿為例,由於缺乏中樞神經系統,牠們在受到刺激時,身體只有在受刺激的部位會出現反射式的局部收縮。相較之下,具有複雜中樞神經系統的生物如人類,在受到刺激時,則會根據周遭的其他資訊做出多樣化且充滿彈性的回應,例如肩膀受到觸碰時,我們可能會根據當時的環境而選擇無視刺激、熱情回應,或做出防衛性的反應。

同樣的,神經系統出現前的內分泌機制,也是宛如軍閥一般、四處割據為王。例如在海綿以及扁盤動物門中的絲盤蟲等沒有中樞神經系統的生物身上,可以觀察到各種能夠分泌荷爾蒙的表皮細胞。在這些生物的身體中,有許多部位的細胞都有內分泌的能力,這些部位彼此協調不易,而且各種荷爾蒙都必須透過緩慢的擴散,才能影響到身體其他部位。

中樞神經系統發展出來後,很快就把內分泌系統的主導權收回手中。前腦中的下視丘和腦下垂體,變成了內分泌系統的首腦,強力主宰了身體的內分泌系統。至於體內的各種消化、循環、呼吸等系統,也在交感神經和副交感神經的支配下,全面俯首稱臣。

後攘外:軍備競賽正式開始

中樞神經系統大權在握之後,內部始稱安定。但是,巨大的演化壓力仍然不斷來自個體之間的競爭。當各種生物都開始出現神經系統之後,同類個體之間的生存競爭,以及不同種類生物之間的掠食與逃生競賽,也變得愈來愈白熱化。此時神經系統一方面強化自身對於內部資源的掌控,同時也積極把取得的資源用於大腦的軍備競賽,以便和其他個體競爭。而這場大腦軍備競賽,可能正是知名的「寒武紀生命大爆發」(Cambrianexplosion)的始作俑者。

寒武紀生命大爆發

寒武紀時期(Cambrian period)距今約五億四千兩百萬年前。根據世界各地的化石群證據,在寒武紀短短的前後兩千萬年之內,物種化石出現爆炸性的增長,動物界大多數的「門」幾乎全部都出現在這一個時期。

最早的寒武紀化石紀錄,是一六八九年牛津博物館的三葉蟲化石。在一八五九年達爾文(Charles Darwin)寫下《物種起源》【註】前,各種關於寒武紀生命大爆發的化石證據就已經相當明確。達爾文對於寒武紀大爆發的現象,一直感到頭痛不已,他認為這個現象可能是對演化論學說的最大挑戰。在《物種起源》中他也坦言:「為何寒武紀之前沒有豐富的化石,我提不出令人滿意的答案。」


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BMW i智慧電能生活圈, 給你最便利與智慧的未來生活

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我們想讓你知道的是

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