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我们为什么不长尾巴?

我们为什么不长尾巴?身体某个部位的退化,包括尾巴的消失,的确是有可能用于“补脑”的。在这里,起作用的,还是自然选择。

文/方舟子

我们为什么不长尾巴?

“用进废退”是一个相当直观的现象。不是吗?经常锻炼的人肌肉发达,久卧病床的人肌肉萎缩。问题是,这后天获得的性状能不能遗传给下一代?尽管现代生物学发现了基因型和表现型的区分,已一再证明不能改变基因的后天获得性无法遗传,但许多人仍然天真地相信“用进废退”是遗传、进化的一个机理。

以前就有人问我,如果“用进废退”是错误的,为什么生活在黑暗溶洞中的鱼的眼睛退化?又有人问,人的尾巴为什么消失了?难道不是因为尾巴对我们没用,我们不用它而导致的吗?

人类和猿类都是没有尾巴的,但是他们的祖先猴子却是有尾巴的。尾巴从有到无,是一种退化现象。如何解释退化现象,曾经让达尔文颇为苦恼。他提出了两个机理:一是由于不使用或者说“废退”,二是由于自然选择。

我们从现代进化论的角度来看看达尔文提出的这两个机理。“用进废退”应该拆开来看:

“用进”,即认为动物频繁地使用某个器官,就能导致这个器官在后代中变得越来越发达,这是用后天获得性遗传解释适应环境的进化,是与现代进化论相冲突的。但是“废退”却未必跟现代进化论相冲突。在现代进化论看来,“废退”其实是在自然选择不起作用之后,有害突变累积的结果。

以尾巴的消失为例,与尾巴有关的基因从长远地看总是会发生突变的,而绝大部分突变都是有害的。在尾巴具有功能的时候,自然选择就会把有害的突变淘汰掉,避免它们累积下来。但是一旦尾巴失去了功能,它是发达还是退化都对个体的生存、繁衍没有影响,自然选择就不再去管,有害的突变得以保留、累积,尾巴也就越来越小、越短,直至消失。

如果尾巴的消失是由于自然选择引起的呢?那是因为没有尾巴要比有尾巴更有生存优势。但是,仅仅这么说是毫无意义的,如果以“生存优势”一语来解释一切,自然选择倒真的成了同义反复了。关键是要找出究竟有什么样的“优势”。

尾巴也是由骨肉组成的,也会受伤、流血。在尾巴有功能的时候,受伤、流血只好忍受。但一旦尾巴成了可有可无的累赘,它会受伤、流血就成了一种生存劣势了。更重要的是,组成尾巴的细胞要新陈代谢,需要有营养供应;拖着尾巴走路,也要消耗额外的能量。如果能省下这些给无用尾巴的营养、能量,分给更重要的器官,比如说大脑,岂不是更好?因此,在这种情况下,自然选择就有利于无尾巴的,而要淘汰掉有尾巴的。

这两种机理哪种正确呢?达尔文本人举棋不定,认为两种都有可能。在《物种起源》一书中,有一节是讨论退化现象的。达尔文以几种动物为例,其中一个讲的是鼹鼠眼睛的退化:

“鼹鼠和某些穴居的啮齿类动物的眼睛的大小只剩下了残迹,并且有的眼睛完全被皮和毛所遮盖。这种眼睛的状态很可能是由于不使用而渐渐缩小的缘故,不过恐怕也有自然选择的帮助。

南美洲有一种穴居的啮齿动物,叫做吐科吐科或栉鼠(Ctenomys),它甚至比鼹鼠更有深入地下的习性;一位常捉到它们的西班牙人向我保证,它们的眼睛常常是瞎的。我养过的一只,它的眼睛的确是这种情形,解剖后才知道是由于瞬膜发炎。

由于眼睛经常发炎对于任何动物必定是有损害的,并且由于眼睛对于具有地下生活习性的动物肯定不是必要的,它们的形状缩小,上下眼睑粘连,而且有毛覆盖上面,在这种情况下可能是有利的;倘若如此,自然选择就会有助于不使用的效果。”

达尔文在这里显然认为“废退”是主要的,自然选择只是起了辅助作用。但是如果自然选择起作用,我们就没必要再考虑别的机理了,因为自然选择是非常有威力的,可以逐渐地使生物结构发生改变。

眼睛退化对地下动物来说,究竟有多大的优势呢?达尔文只考虑到了眼睛发炎,其实还有另一个明显的优势他未提到:眼睛是很脆弱的、容易受伤的器官,而且一旦受伤,往往是致命的。在地下钻来钻去,特别是像鼹鼠那样把头当成推土机挖隧道,眼睛更容易受到伤害,那么,让已经不发挥作用的眼睛退役,就是一种很明智的选择。

近来的研究发现,鼹鼠的眼睛退化,还有别的优势,有助于我们理解那些不像眼睛这么脆弱的器官的退化。这项研究是以生活在中东地区的一种盲鼹鼠(Spalax ehrenbergi)作为研究对象的。

这种盲鼹鼠看上去像是一条毛茸茸的香肠,它的头部除了嘴巴有开口,露出尖锐的、用来挖土和咬食树根的牙齿,就再也没有任何开口了。它是完全失明的,如果用强光照射它,它也不会有任何反应,甚至连脑电波也不起变化。但是如果你在它的旁边鼓一下掌,它的脑电波就会起变化。它虽然目不能视物,却能感到振动。

事实上,振动是它们相互通信的方式。盲鼹鼠在一年的大部分时间内都是独居的,它们用头撞撞窝顶,振动传了开去,其他盲鼹鼠感觉到了,也用头撞撞窝顶,就这么长长短短用一种电报式密码互相通信。

如果你在它的窝上方的地面上跺跺脚,它可能也会撞撞窝顶答复。在交配的季节,盲鼹鼠就靠“电报”求爱,雄鼹鼠循声挖洞追踪,运气好的话就挖到了雌鼹鼠的闺房,交配之后就离开;运气不好的话钻进了别的雄鼹鼠的老窝,就难免有一场厮杀。

盲鼹鼠的眼睛其实并没有完全消失。如果我们解剖它的头部,会发现在毛和皮肤之下,一对腺体包着的小眼睛,直径只有0.7毫米,体积只有同等大小的小鼠的眼睛的1%。这对眼睛没有瞳孔,晶状体也已萎缩,是无法成像的。但是它们还有视网膜,膜上有锥细胞,里面有能够感光的视蛋白,数量只有小鼠的4%。那么盲鼹鼠的眼睛为什么没有完全消失,这么一对藏在皮肤底下的小眼睛有什么用呢?

由于里面还有视蛋白,还能感受到白天和黑夜的不同——即使是在皮肤底下,也还是能感光的,就像你闭上了眼睛,也还能感到是光明还是黑暗,所以有的人开着灯睡不着觉。盲鼹鼠也是这样,当它们把土推出洞外时,它们皮下的小眼睛也能感到外面是白昼还是黑夜。它们的眼睛中有褪黑素,根据光周期调节鼹鼠的活动。

实验证明的确如此。如果在实验室中我们通过改变光亮颠倒白天和黑夜,盲鼹鼠的活动也随着改变。如果让光明时间变短,黑暗时间变长,模拟冬天的到来,盲鼹鼠的体内代谢也随之改变,准备抵抗寒冬了。如果我们把盲鼹鼠的眼睛摘除,它的这些光周期反应就都消失了。

相应地,盲鼹鼠的大脑皮层功能也发生了改变。它控制感觉漫射光和光周期的皮层区和小鼠的一样大小,但是控制视觉成像的皮层区则几乎消失了。大脑是一个很“昂贵”的器官,虽然只占盲鼹鼠体重的1.3%,却消耗了它吸收的氧气和葡萄糖的20%。控制成像的皮层占整个大脑的10%,平均来说占了盲鼹鼠能量分配的2%(实际上这部分皮层的能量消耗在大脑皮层中是最高的,并不止2%)。

视网膜也是一种“昂贵”的器官,它的氧气消耗是身体平均水平的100倍。因此,让视觉退化,可以省下超过2%的能量。地下是一个异常缺氧的环境,那里既没有风可以冷却身体,潮湿的土壤也使流出的汗不容易散发掉,因此盲鼹鼠总是尽量使能量的消耗越低越好(它们的基础代谢率明显比地上的动物低),能省下2%的能量消耗是一个很大的优势,可以将之用于更有价值的活动,比如挖洞寻找食物,哺乳后代等等。就像一个穷人,恨不得把一分钱掰成两半花,如果能把一年的工资省下2%,就可以备一时之需了。

盲鼹鼠大脑皮层中控制视觉成像的部分虽然消失了,但并不是被当成废物空在那里,事实上,它被改为用来控制触觉,因此盲鼹鼠用于控制触觉的皮层区域,几乎是小鼠的两倍。触觉对盲鼹鼠来说是非常重要的,前面已说过,它们主要是通过感触振动互相通信的。当它们在黑暗的地底下挖掘隧道时,也靠触觉的指引。

它们也需要很好的听觉接收别的盲鼹鼠发来的“电报”,需要很好的嗅觉寻找植物的根和闻其他盲鼹鼠的尿判断敌友。它也有非常好的磁场导向感觉,在迷宫般的隧道中不会迷路,借此躲过蛇的追捕。所有这些感觉都要在大脑皮层中占据一定的位置,那么,抛弃原本多达10%的视觉皮层,改造成别的感觉皮层,就是一种很好的节省策略。

由此可见,身体某个部位的退化,包括尾巴的消失,的确是有可能用于“补脑”的。在这里,起作用的,还是自然选择。自然选择不仅能够创造新器官,也能改造、摧毁旧器官。(选自《我们为什么不长尾巴?——方舟子带你走近科学》广西科学技术出版社)



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