【地球演义】第三十三回 七种武器:神经节

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长久以来,动物主要依靠刻录在DNA上的遗传程序,通过合成化学物质来调节自己的身体,应对外界的刺激。但是自寒武纪之后,面对更加复杂和险恶的内部和外部环境,古老的化学调节越来越力不从心了。

寒武纪的抚仙湖虫(Fuxianhuiid)拥有原始的脑和链状神经节,控制身体的各种活动(图片来源:[1])。

动物的身体结构日益复杂,各种新的组织和器官相继出现,如何组织和协调它们的工作摆在了动物们的面前:两侧对称的身体要保持平衡,方向感必不可少。包裹消化道的肌肉需要根据有规律地蠕动,把食物运送到下一个消化环节。各种腺体分泌的消化液要在适当的时机注入。鳃叶要在水流中摆动,完成气体交换。一些血管的膨大部分开始有规律地涨缩,把富含氧气的血流泵到全身。排泄系统的管路收集各种代谢废物排出体外。还有生殖系统的各种复杂运作。

外界环境更加繁杂:各种光影图像传递到新演化的眼睛中,需要立即做出反应;表皮和触角感知到了水压和振动;溶解在水中的化学物质预示着食物,配偶和天敌就在附近;温度,日照和潮汐的变化是重要的信号,一旦失误就会错过最重要的繁殖聚会。

内外交加的压力,促使动物们装备更加快速和高效的中枢调节系统。

改良版神经系统应运而生。

另一种寒武纪的动物刺钳里拉虫(Lyrarapaxunquispinus,下右)和现代栉蚕(下左)头部的神经系统对比。对应位置的神经节表明刺钳里拉虫的螯肢和栉蚕的触角起源(图片来源:[2])。

二胚层动物的神经系统只是一些神经细胞连接形成的简单网络,相互间没有层级关系,一点受到刺激,整个都会做出收缩反应,真正是牵一发而动全身。这种简单的反应机制可以应付固着和随波漂流的生存方式,但当动物开始主动运动,觅食和求偶,网状神经的性能就不堪重负了。

在神经网的基础上,两侧对称动物整合了神经元的分布,从梯状神经系统发展到链状神经系统。建立了层级系统,特定功能的神经细胞聚合成神经节(ganglia),并行处理各种感觉系统捕捉到的信息,做出简单的决策发送给对应的肌肉群。这样一来,信息处理的能力和应对刺激的效率大为提高。

形态各异的动物神经系统。(图片来源自网络)

由于感觉器官和口部附肢都集中在头部,为了处理复杂的视觉,触觉和嗅觉信号,完成吞食运动,在头部形成了最膨大的神经节群。各种功能不断整合,这些神经节也逐渐合并,最终演化成神经系统的最高中枢——脑。

抚仙湖虫的头部集中了触角(嗅觉和触觉),眼睛(视觉)和口部附肢(味觉和咀嚼运动),这些功能由不同的神经节完成,并在未来愈合成脑的不同部分。(图片来源:[1])

神经节和脑的形成,赋予动物强大的感知和调控能力。发达的神经系统不但可以捕捉和处理环境的信息,控制身体行动和应对,调节激素的合成,指导发育和繁殖。更在遗传信息之外建立了另一套数据存储系统,动物们开始具有记忆和学习能力,行为更加复杂和高效。为今后征服更加广阔的世界奠定了基础。

看似柔弱的栉蚕(有爪动物门)实际上是凶猛的肉食动物,一些种类甚至有社会化行为。它们的样子非常像5亿年前漫步在寒武纪海洋中的祖先。

地球名片

生物分类:动物界-有爪动物门

存在时间:起源时间不明 至 现代

现存种类:约200种

化石种类:不明

生活环境:陆地

代表特征:蠕虫状身体,不分节,有附肢,气管呼吸

代表物种:栉蚕


参考文献

[1]Jie Yang, Javier Ortega-Hernández, Nicholas J. Butterfield, Yu Liu, George S. Boyan, Jin-bo Hou, TianLan & Xi-guang Zhanga, Fuxianhuiid ventral nerve cord and earlynervous system evolution in Panarthropoda. Proc Natl Acad Sci U S A. 15 Mar 2016; doi: 10.1073/pnas.1522434113

[2]PeiyunCong, Xiaoya Ma, Xianguang Hou, Gregory D. Edgecombe & Nicholas J.Strausfeld. Brain structure resolves the segmental affinity of anomalocarididappendages. Nature, 16 July 2014; doi: 10.1038/nature13486

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