视觉进化的新故事

2021-04-13 02:00:39 原理

相信大多数人都不会反对,视觉是我们最重要的感官之一,我们大量的信息获取都来自视觉的输入。事实上,视觉的背后有着强大的神经基础——连接我们眼睛和大脑的神经网络十分复杂

比如,在人类等哺乳动物中,我们的每一个眼球都连接着左右两侧的大脑,两侧大脑会接收到双眼的视觉输入,这也被称为双侧视投射。大脑会计算双眼的差异,从而帮助提取三维的视觉信息,让我们拥有了深度知觉,也就是立体的视觉感受。

长期以来,科学家一直认为,这种连接特征的进化发生在鱼类登上陆地之后。传统观点认为,这种特征最早出现在约3.75亿年前,可能先出现在四足动物身上,并延续到了人类这里。

然而,一组国际研究团队已经证明,它的进化比以前想象的要早得多。这种连接方式至少在约4.5亿年前的古老鱼类中就已经存在,它可能比人们之前认为的要早约1亿年。一些科学家相信,这项发表于《科学》的研究结果的确改写了现有的生物学教材。

在这项新研究中,团队利用一种开创性的方法,观察了几种不同鱼类体内眼脑之间的神经连接。科学家将荧光示踪剂注入11种鱼类的眼中,并利用一种特殊的3D荧光显微镜检视它们的大脑和视觉系统。

研究涉及的鱼类包括了一种非常受欢迎的模式动物——斑马鱼,也有一些更罕见而稀有的标本,比如雀鳝(gar fish)和澳大利亚肺鱼

雀鳝。| 图片来源:Ingo Braasch / MSU

斑马鱼作为硬骨鱼的代表,它的眼脑连接与人类的非常不同。在斑马鱼身上,每只眼睛都有一路神经,将眼连接到大脑相对的另一侧,也就是对侧神经连接。换句话说,它们有一路神经将左眼连接到大脑的右半球,还有一路神经则将右眼连接到大脑的左半球。

事实上,这在某种程度上也解释了,为什么许多科学家认为人类的这种眼脑连接的进化发生在鱼类从水中到陆地的过渡之后——许多现代鱼类都像斑马鱼一样拥有对侧神经连接。而人类所拥有的双侧视觉系统,则可以简单理解成是在这个基础上加入了同侧视觉通路。人们认为这是动物登上陆地后的创新。

但新研究在一些更“古老”的鱼类身上有了惊人的发现。以雀鳝为例,这种鱼的进化比斑马鱼更慢,这意味着,雀鳝与人类和鱼类的最后的共同祖先更为相似,也就是说,它们在某些方面可以反映出一些进化上更古老的特征。

雀鳝大脑的荧光显微图像。在图中,大脑左半球呈现绿色荧光,右半球呈现紫红色荧光。但在图像的底部,可以看到两种颜色的神经连接到两个大脑半球。这表明,雀鳝的两只眼睛都和大脑两侧相连。| 图片来源:R. J. Vigouroux et al. / Science (2021)

科学家通过荧光显微技术发现,雀鳝等这些在进化上与哺乳动物更近的鱼类拥有同侧/双侧视投射。比如,雀鳝大脑实际上会接收到两只眼睛的视觉输入。

视觉系统进化史简图。| 图片来源:Science(2021)

对多种鱼类的研究表明,在鱼类中,同侧视投射的存在与动物的生活史或者眼睛的具体位置无关,却与它们在鱼类生命树中的系统发育位置有关同侧视投射存在于所有非硬骨鱼的分支中,因此这种特征很可能来自更古老祖。与先前的假设相反,很有可能是现代硬骨鱼在进化中“丢失”了这种能力。

科学家相信,他们目前的发现仅仅是冰山一角。在未来,他们计划探索驱动同侧视投射的基因,从而更好地理解视觉是如何进化的,了解视觉系统生物学的本质。

参与研究的鱼类科学家Ingo Braasch表示:“我们越来越多地发现,一些原本认为的在进化上相对较晚的东西,实际上非常古老,这让我觉得自己与大自然有了更多的联系。当我看着这些奇奇怪怪的鱼,了解我们身体的各个部分有多老的时候,我对自己的了解就更深一层。”

“我也很高兴,能在这学期的生物课上,给学生讲述眼睛进化的新故事。”

#创作团队:

文字:Takeko

#参考来源:

https://msutoday.msu.edu/news/2021/discovery-that-literally-changes-the-textbook

https://science.sciencemag.org/content/372/6538/150

https://www.sciencemag.org/news/2021/04/ancient-fish-share-key-feature-human-vision

#图片来源

封面及文首:R.J. Vigouroux et al. / Science (2021)

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