有没有想过，我们的眼睛是不完美的？

生物感受宇宙万物的方法很多，可以通过获取光波、声波、电磁波来探测世界的样子。经过数十亿年的进化发展，生物进化出了各式各样的感官，例如人类同时兼具眼、耳、鼻、舌、肌肤这五种感官（有第六感的朋友可以联系相关研究部门_(:з)∠）_），每种感官各司其职，在大脑的指挥下，帮我们构建起了对宇宙的认知。

每个器官都有其悠久的进化历史，但是其中一种感官却很独特，那就是眼睛，其结构就像一台精密无比的仪器，眼睛的每个组件都像是精心设计在一起，与其说是一步步进化而来，更像是一次组装好的。于是，眼睛也成为了神创论者在19世纪一直抨击生物进化论的有力武器，他们认为眼睛这么精密的器官一定是出于上帝之手。而饱受这一言论抨击的进化论之父达尔文，在当时也没有做出很好地解答，达尔文曾经承认眼睛的进化的确是一道难题。

1860年，达尔文写信给美国植物学家阿萨格雷：“迄今为止，眼睛让我感到不寒而栗，但一想到那些已为人所知的精妙渐变阶段，我的理性就告诉自己，我必须克服这种不寒而栗。”直到20世纪末，人类对古生物化石的研究发现，才发现了眼睛进化的秘密，实际上眼睛的确是一步步进化而来的，并且人类的眼睛并非完美，而且存在着众多缺陷。本篇文章就带大家一起探寻眼睛进化的秘密，想象一下眼睛赋予生物的奇幻世界。

查尔斯·罗伯特·达尔文

人的眼睛

最早的眼睛

最早的眼睛其实只是由一撮感光细胞组成，只能感受到光线的明和暗。当这些感光细胞聚集在一起时，被称为眼点，这些感光细胞早在5亿多年前的寒武纪就已经出现在了生物身上，比如最早的脊索动物——皮卡虫（或皮克鱼）。虽然，皮卡虫的感光细胞只能感受到光线的强弱，但这一进步已经在生物躲避天敌的本领上迈出了重要一步。当阳光明媚时，栖息在海底的皮卡虫就会钻出沙子，而捕食者位于正上方时就会遮住阳光，皮卡虫可以迅速钻入沙子逃过一劫。

直到现在，部分单细胞生物仍然具有眼点的结构，如眼虫。

皮卡虫化石

昆明鱼化石

皮卡虫躲避奇虾（源自NHK纪录片）

现生原生生物眼虫（红色为眼点）

凹陷的眼睛

随着生物的演化，逐渐进化出了对感光细胞保护的结构。比如，同样是寒武纪的涡虫，在眼点的位置产生了一个凹陷，在可以保护感光细胞的同时，也可以借此粗略判断光线来的方向，做出更好的应对策略。涡虫至今仍保留着这种器官构造。 

具有凹陷眼点的涡虫

涡虫避开强光

进化的分歧

在适者生存的古生代海洋中，必须遵从“进则生，落后就灭绝”的生命法则，由于感光细胞的用途过于强大，上到捕食者，下到低等生物，都装备有一星半点儿的视觉器官。但在眼睛的演化过程中却发生了分歧。

一部分早期具有感光细胞的脊索动物和软体动物，选择用凹陷的方法保护感光细胞，随着凹陷越来越深，最终眼睛形成了前段有小孔的形状，根据小孔成像的原理，位于眼睛底部的感光细胞逐渐能感受到了物体的影像。但是这一进化过程相当漫长，直到晚寒武纪的头足类才出现这一构造，拥有这独特天赋的鹦鹉螺、菊石、角石才足以成为奥陶纪的顶级捕食者，称霸当时的海洋。

称霸奥陶纪海洋的角石

至今仍存在的鹦鹉螺

头足类生物眼睛结构图（可小孔成像）

但是在此之前，另一部分具有感光细胞的生物却走上了另一条不归路，那就是以三叶虫、奇虾、海蝎为首的节肢动物进化出了“复眼”，靠成千上万个小眼睛将不同角度的图像整合成一个完整的影像，可以看到360°的景象，它们早早地在寒武纪早期就进化出来，进而使得寒武纪成了三叶虫的海洋，而奇虾则是当时的顶级捕食者。直至今日，节肢动物的部分昆虫们仍保留这一视觉器官。

三叶虫的棒状复眼

澳大利亚奇虾复眼直径达3厘米，包含16000个单眼

晶状体的出现

在泥盆纪，脊椎动物厚积薄发，逐渐占据上风，以邓氏鱼为首的鱼类成为了新一代的海洋霸主。而凶悍的邓氏鱼之所以能够称霸，不仅是因为其比霸王龙还要强的咬合力，更是因为它直径达十厘米的“卡姿兰大眼睛”。邓氏鱼的眼睛发育出了眼球，并且眼球前段出现了可以变焦的晶状体，更重要的是出现了可以解析图像的视网膜，这种眼睛构造与现在人类的已经十分相似了。这件装备使得邓氏鱼可以将猎物的一举一动看得清清楚楚，带领鱼类称霸了整个泥盆纪的海洋。昔日的寒武纪霸主奇虾和海蝎，虽然有高级的复眼，但仅仅是视野广却成像不清晰，逐渐走向了没落。之后的脊椎动物传承了邓氏鱼的大眼球，始终处于食物链顶端，可以见得眼睛这一器官的强大之处。

咬合力最强的鱼类——邓氏鱼

邓氏鱼vs巨齿鲨

神奇的错误

随后，脊椎动物的眼睛在早期鱼类的基础上继续演化，主要是对神经系统的优化，功能和原理上并没有什么大的改变，包括一直以来脊椎动物眼睛存在的一个重大缺陷！其实，眼睛并不是一个完美的器官，脊椎动物的眼睛存在着一个极不合理的缺陷。

下面做个简单的实验。下面动图中有一个正在向圆形图案移动的十字图案，每一步都清晰可见。然后，眼睛距屏幕一定距离，闭上左眼，右眼紧盯住左边的十字图案，缓慢靠近屏幕或远离屏幕，很快你会发现在某个位置右边的圆形图案忽然消失了，用同样方式，闭上右眼，左眼紧盯看右边的圆形图案，十字图案也会消失。如果你成功了，恭喜你，你发现了盲点。这就是著名的“盲点实验”。

盲点实验图

中学知识告诉我们，光线透过晶状体将物像成在视网膜上，传到视觉神经，再传至大脑，而问题就出在这个视网膜上。

如下图所示，视网膜分为三层，分别是感光细胞、双极细胞、神经节细胞，感光细胞可将光信号转化为电信号，而双极细胞则负责分类处理这些电信号，最后神经节细胞会把这些分类好的电信号传输至大脑形成最终影像。理论上，用于接受光线的感光细胞应该双极细胞和节细胞之前先接受光线，但事实顺序却完全相反。如图中所示，光线先到达神经节细胞，穿过双极细胞，才到达感光细胞，感光细胞需要将信号再传递给在内层的神经节细胞，节细胞再通过神经网穿过感光细胞传至大脑。这样的设计不仅严重影响了成像的清晰度，还使得视网膜上有一点区域无法分布感光细胞，这部分的影像无法成像，就形成了所谓的盲点。幸而人有两只眼睛，可以互相弥补盲点的不足。

视网膜分层图

光线进入视网膜模式图

这么奇怪的设计，还增加很多眼部疾病的风险。因为感光细胞与后面的色素细胞接触松散，使得剧烈运动或打击都会有视网膜脱落的风险，更严重的是，高度近视的人翻个白眼都可能视网膜脱落。为了给双极细胞和节细胞供血，血管需要包围视网膜表面，使得人眼中血管可见，阻碍成像的同时，破裂还会导致眼底出血的症状。

视网膜脱落

眼底出血

然而，几乎是同时期进化出眼睛的软体动物，却没有这种奇怪的设计。比如说章鱼，它们视网膜组成顺序就是正确的，直接由感光细胞达到神经节细胞。并且由于神经纤维的拉扯，加强了视网膜的牢固性，更没有“盲点”的出现。

烙饼章鱼

下图是章鱼和人眼球的对比图。可以明显的看出来章鱼的眼睛貌似更高端一些。但是脊椎动物的这种独特构造也并非一无是处，随着进化产生了一个优化措施，称为黄斑区，可以在凝视时集聚在眼球中部，神经和血管会避开黄斑区，使得视网膜成像不被干扰。

章鱼眼(左)和人眼(右)对比图（来自科学网）

黄斑区

至于为什么脊椎动物会有这种错误的进化，古生物学家也做出了解答。原因在于最初形成眼睛的脊索动物，它们的眼睛位于身体内侧，左眼来看右侧的物体，光线穿过透明的身体，到达内侧的感光细胞，既起到了视觉的作用，又保护了眼睛。但是随着脊椎动物演化，身体不再透明，左眼只能用来看左侧了，四倍体生物的出现使得生物逐渐趋于对称化，神经更加发达，然而早期形成的视网膜顺序却再也无法改变了。于是乎，这个神奇的错误延续到了我们身上。

脊椎动物眼睛演化图（源自科学网）

综合而言，眼睛对于生物的演化起到了重要的作用，视觉系统的进步可以让一种生物称霸整个生物界长达上亿年。而如今拥有高等智慧的人类，也凭借着机械的手段不断拓展着我们的视觉能力，就像通过哈勃望远镜看向深邃的宇宙。

其实，很多生物的感官系统都很独特，比如蝙蝠可以用声波定位，海豚可以用超声波沟通，宠物猫狗也可以看到人眼看不到的紫外线，甚至人类的近亲猴子也可以看到人类看不到的电磁波。万千世界无奇不有，寒武纪的机缘巧合让生物生长出了眼睛得以看到这个世界，我们不妨放开脑洞思考一下，宇宙中的其他生命体他们是通过什么样的感官来感受世界的呢？或许他们是和我们一样的碳基生命，用着同样的蛋白质，却长着独特的感官；又或者他们是机械元件组成的机械文明，通过引力波或者电信号来沟通，用红外线来扫描物体；又或者……但毫无疑问地是地球生命的眼睛是十分独特又紧密的，当有一日外星高等文明与人类文明接触时，他们可能感到最奇怪的就是我们每个生命都有的眼睛，或许在他们的语言里会称呼我们为“眼睛星球”呢~

希望大家日常要适度用眼，防止用眼疲劳，要好好保护眼睛哦~

参考资料：

[1] 特雷弗·D·莱姆, 王天奇翻译. 眼睛的进化路线图[J]. 环球科学, 2011(8):76-81.

[2] 朱钦士.'反贴'的视网膜.生物学通报[J].2015.50(3)

[3] 人之所以为人，一部几十亿年的进化史. 个人图书馆 http://www.360doc.com/content/19/0615/10/79007_842569420.shtml

[4] 【薛饿】达尔文的不可思议时空旅行. Bilibili视频. https://www.bilibili.com/read/cv2481512/

[5] 张磊. 全人类的视网膜都装反了，还不敌章鱼的眼睛？科学网 http://wap.sciencenet.cn/blog-2966991-1092965.html?mobile=1

美编：池艺璇

校对：李玉钤

来源：中科院地质地球所