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从人眼到病毒:生命为什么只能来自“盲眼钟表匠”?

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果壳 2021-07-29 19:23

7月16日,Science China Life Sciences(《中国科学:生命科学》英文版)发表了一篇观点文章,从经典演化理论——“盲眼钟表匠”的角度,呼吁科学看待新冠病毒的溯源等问题。

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对于很多人来说,“盲眼钟表匠”可能是个陌生的词,它跟生物的演化、病毒的出现有什么关系?让我们先从连达尔文都倍感困惑的眼睛说起。

人类的眼睛,似乎是“造物主”设计的?

为什么自然界的生物不太可能是预先设计出来的,而演化理论可以解释万千物种的存在?这是一个古老而又常新的问题。

1802年,英国神学家威廉·佩利出版了专著《自然神学》(又名《从自然现象中收集的神存在及其性质之证据》。在这本书中,佩利描述了人、鸟类、昆虫、植物等各种生物所具有的各种精妙结构和功能,试图以此证明上帝作为生命设计者的存在。为了说明他的逻辑,佩利使用了“钟表匠”的比喻,把生命体比作精确而复杂的钟表,钟表匠就是所谓的“造物主”:

“这个钟表必然有个制造者,……制造者知道怎么制造钟表,并设计了它的用途。”

图片来源 | veer图库

除了巧妙连接的肌肉和骨骼这类“证据”之外,佩利举了一个更为著名的例子,那就是人类的眼睛,他认为眼睛的结构非常精妙,完全是为视觉而造的,必然有个设计者。

半个多世纪后,达尔文出版了《物种起源》,提出了生物演化的自然选择学说,论证了各种生物的产生并不一定需要预先的“设计”。然而达尔文似乎仍然对自己的理论能否解释眼睛的存在不太有信心。他写道:

“考虑到眼睛能以其无法复刻的精巧对焦到不同的距离、接收不同强度的光线、纠正球面色彩的偏差,那么我必须承认,眼睛来自自然选择这一假设是很荒唐的。”

这是为什么呢?自然选择理论认为,如果生物能够不断产生微小的改变,那么其中对生物体生存有益的改变就可以使其留下更多后代,从而在生存竞争中保留下来,生物也借此实现缓慢的演化;而人类的眼睛包含了晶状体、视网膜等各种相互依存的复杂部件,组合起来才能产生“视觉”这一对生物有益的功能,这些复杂的部件怎么可能在演化当中同时出现呢?

人眼构造 | 腾讯云图库

正如古生物学家史蒂芬·古尔德所说:“5%的眼睛有什么用?” 直到今天,相当一部分对演化理论的质疑仍然根植于佩利的“设计论”思想,以及达尔文面对眼睛等复杂器官的演化所表现出的不自信:

“如果世上有任何复杂的器官,不能以许多连续的微小改良造成,我的理论就垮了。”

达尔文面对眼睛的困惑,就像我们面对造成大流行的病毒时的迷茫:这些病毒一出现就能够攻击人类的软肋,似乎是专门为人类准备的,它们是自然形成的吗?也许,理解了眼睛的演化历史,我们的困惑能够得到解答。

一步步的演化,

才有了人类的眼睛

针对佩利等设计论者提出的“钟表匠”比喻,英国演化生物学家理查德·道金斯提出了相应的“盲眼钟表匠”理论——如果把生命比作钟表,那么“设计”生命的也并不是造物主,而是漫长的演化过程,但演化这个“钟表匠”并没有一以贯之的目标,是一位看不见的“盲眼钟表匠”。

理查德·道金斯的著作:《盲眼钟表匠》| 维基百科

“盲眼钟表匠”这一比喻的核心是演化的渐进性。在道金斯看来,精致复杂的器官完全可以在漫长的演化历史中由一系列微小的改变产生,其中每一步“中间产物”都是对相应生物体的生存有益的器官,并且比改变之前更具有适应性。曾让达尔文困惑的眼睛就是一个很好的例子。

人和其他脊椎动物的眼是所谓的“透镜眼”。在人眼中,晶状体像照相机镜头里的透镜一样,能够将入射光线折射汇聚到视网膜上。而视网膜就如同数码相机的CCD感光元件阵列:CCD依赖数千万个微小的感光元件接收镜头投射的光信号,转换成电信号进入相机的“大脑”CPU进行下一步处理;而视网膜上的上亿个视杆细胞和视锥细胞同样能感光并产生神经电信号,由视神经汇总后传输到我们的大脑。

同时,人眼还能够通过睫状肌的运动改变晶状体曲率实现“对焦”,可以通过虹膜调整瞳孔大小(“光圈”)来调节进光量等等,俨然是比最先进的数码相机还要强大的“精密仪器”。

这样的精致结构显然不是“突然”演化出来的。实际上,纵观目前已知的各个动物门类,眼结构的复杂程度就是各不相同的,我们可以推测在演化历史中,动物的眼睛也经历了多步的渐进性演化。

最简单的“眼”,可以仅仅是透明皮肤下方聚集的一群感光细胞,也叫眼点,存在于部分水母、海星和涡虫等门类中。这样的眼睛虽然看不清物体,但凹陷的眼点可以通过身体运动时感受到的明暗变化辨别光线的来向,让动物能趋利避害。

当眼点的杯状凹陷在演化中逐渐变深,眼对光线的方向判别也会越来越精确。在鹦鹉螺等动物中,凹陷的眼点从身体表面看去只剩一个小孔,这就能够通过小孔成像原理在凹陷底部形成最原始的图像了,这就是针孔眼

鹦鹉螺 | veer图库

从针孔眼结构到透镜眼的进一步演化,看起来也就顺理成章了——在人类所属的脊椎动物这一门类中,演化历史上较早分化出的盲鳗,眼睛不再像针孔眼那样对外界开放,而是被透明的皮肤封闭起来;而七鳃鳗的眼中长出了晶状体,到了有颌类脊椎动物,具有角膜、睫状肌等结构的完整透镜眼就出现了。

从眼点到到透镜眼,不难看出眼结构的演化完全可以是渐进式的,每一步改变都使得动物拥有了更好的视觉功能,更适应于生存繁衍。不仅如此,在不同的动物门类中,眼结构的演化还具有多样性,例如昆虫具有多达数千个小眼组成的复眼。

进一步地,研究者们还从分子机制上发现,眼的发育从软体动物、昆虫到哺乳动物都依赖于演化上同源的PAX6基因,甚至早在多细胞动物演化初期产生的刺胞动物,例如各种水母中,眼的发育调控就已经依赖于相关的同源基因了。这进一步说明了动物眼睛演化一脉相承的渐进式过程。

只有“盲眼”,才会产生 “不合理的设计”

眼结构的精巧证明了演化这位“钟表匠”的超群能力。除此之外,道金斯还列举了蝙蝠的回声定位能力等例子,来说明演化的力量足以产生比肩人类先进技术的复杂结构和功能。那么,为什么又说演化是“盲眼”的呢?

从原理上说,演化过程与“设计论”有一个本质区别:渐进式的适应性演化并没有最终目的,而且具有相当的随机性。只要能帮助生物适应环境,一个形状上的改变哪怕不完美也可以被接受。

图片来源 | veer图库

这就好比当“盲眼钟表匠”拿起一个零件,他并不知道这个零件是否好用,只是安装到手里的钟表上试试;只要钟表能正常工作,哪怕这个零件再丑陋,也会被作为钟表的一部分保留下来;否则,盲眼钟表匠就会抛弃这个“设计”,转而试验下一个零件。

这种“盲眼”的演化痕迹在生物界随处可见。仍以眼睛为例,脊椎动物和头足类中的章鱼、乌贼等分别独立演化出了非常相似的透镜眼结构,这个“殊途同归”的趋同演化现象表明透镜眼具有良好的环境适应性。然而仔细比较你会发现,人眼居然还没有乌贼的眼睛“合理”:在乌贼的视网膜中,长条形的视细胞以感光的部分对着晶状体,也就是光线射入的方向,接收到光信号后,转化成电信号向后传导到视神经中,“输入”“输出”互不干扰;而在人眼中,视细胞居然是倒着插在视网膜上的,光线进入眼球后,必须穿过密布在视网膜上的血管、神经,才能被视细胞的感光结构捕捉到,而视神经汇聚之后必须穿出视网膜才能连接大脑,在视网膜上留下一个“盲点”。

左:人眼结构,右:头足类眼结构1.视网膜 2. 神经元 3. 视神经 4. 盲点 | 维基百科

这种“逼死强迫症”的“不合理”设计,再次证明了眼睛并不是设计者从头设计的完美产物,只可能是“盲眼钟表匠”使用随机获得的零件拼凑出的结果:由于发育程序难以通过一步突变进行修改,视细胞的朝向被固定了下来,反正只要足够好用就行;至于为什么我们看不到眼中的血管也感受不到盲点的存在,那就是“盲眼钟表匠”在后来的漫长岁月中修修补补的结果了。

在生物体内,这种“拆东墙补西墙”式的“设计”俯拾皆是。例如四足类动物中控制喉部吞咽等动作的喉返神经,从大脑发出后偏要向下绕过心脏旁边的主动脉弓,再向上回到咽喉——在长颈鹿中,喉返神经这一下一上绕的冤枉路将近5米!这个“设计”仅仅是因为“喉返神经在主动脉弓下边”的发育模式在四足类的鱼类祖先中就已经确定。在生物演化出颈部、使得头部运动更加灵活的“优化”过程中,脑和心脏上下分离,渐行渐远,以咽喉为目的地的喉返神经便不得不“服从大局”,绕行胸腔——如果生物体真的有设计者,怎么会做出这种不完美的设计呢?

人体左侧喉返神经示意图 | 维基百科

为祸人间的病毒,也出自“盲眼钟表匠”之手

虽然渐进演化主要解释了复杂器官的演化问题,但是“盲眼钟表匠”的演化图景是广泛适用的,现在我们也能用它来理解病毒的演化。

例如,各种病毒往往在造成大流行的时候才引起人类的关注,但正如眼睛的演化要经历长时间的多步改变,“完美病毒”也不可能从天而降——在大流行之前,病毒多半已经在“盲眼钟表匠”手中经过了漫长的渐进演化。

正如中国学者指出的那样,新冠病毒的溯源研究,也应该考虑“盲眼钟表匠”这一渐进式演化的科学理论:病毒要能有效地侵染人体并在人类社会中广泛传播,需要具有一系列适应性的功能特征,这些特征的“修炼”过程,很可能是首先在疫源动物(例如蝙蝠)的群体内经历大规模的长期变异演化,产生一个拥有各种突变的“病毒库”,好比给了“盲眼钟表匠”很多可用的“零件”;然后,病毒变体借助野生动物与人类长期反复接触,就像“盲眼钟表匠”随机地选择零件安装到钟表上,反复试错,最后筛选产生了一个引发疫情的病毒变体。

病毒、野生动物和人类的这种演化共舞并不是新鲜事,比如大家熟知的流感病毒。回望人类文明史,流感病毒很可能从古希腊时代就已经不时造成瘟疫爆发;而大航海时代和全球化的到来,给了流感病毒在人类社会广泛存在和演化的机会,无论是哥伦布发现美洲后的无辜原住民,还是一战战壕中卫生条件欠佳的普通士兵,都是流感病毒借助大量人群不断渐进演化的受害者。

同时,在鸟类和多种哺乳类中存在的各型流感病毒,不断地突变和相互重组,往往能拼凑出人类尚不能免疫但又易于传染的新型变体,造成流行,例如时不时占据新闻头条的禽流感病毒。流感病毒在野鸟、家禽、猪、人等多个物种中反复横跳,一直伴随人类社会至今,当可给我们理解病毒的渐进式演化提供实例。

从眼睛到病毒,这些似乎迥异的现象背后,都有 “盲眼钟表匠”等进化理论驱动。这些理论在解释各种生命的存在与演化的同时,也让我们能避免陷入“设计论”的误区,正确地理解生命,守护生命。

作者单位:中国科学院动物研究所

本文经授权转载自中科院官方科普微平台科学大院(ID:kexuedayuan),如需二次转载请联系原作者。

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