陸生動物起源史，你知道嗎

生命起源於海洋，當水生動物選擇向大陸擴張棲息地，這便意味著他們需要將自己的鰭替換成四肢，將鰓替換成肺，以便能夠適應新的生存環境。要知道，這可不是找巫婆以失去說話能力和喝下一瓶渾濁的藥水那麼簡單。選擇這種進化方向不異於現代的任何科學發明。

而這種陸生遷徙說一直沒有得到確切的理論支持和廣泛的觀點統一。在一項最近的研究中，鰭和鰓的變化並沒有完全描繪出當年水生動物向兩棲類轉變的全部信息。自海洋來到大陸，一定有什麼重要的東西吸引著他們前赴後繼的穿越這種籓籬--信息。在空氣中，我們的眼睛能夠獲得更長的視距，增加的視野被稱作信息壓縮線(informational zip line)，能夠幫助上古生物尋找海岸線附近的食物源。

西北大學生物神經工程學家Malcolm MacIver解釋了了壓縮線的概念，它也是驅動生物四肢變化的源動力之一，這使得部分水生生物能夠在陸地上進行短暫的停留和移動。而更深遠的影響在於，這種能力(開闊視野)促使的生物能夠完成更為先進的認知和複雜的運動規劃。如果僅僅是通過化石進行分析是很難講我們的四肢進化與信息所聯繫起來的，而促使我們從海洋登陸的原因竟然是信息。

他與Lars Schmitz(克里蒙特學院聯盟的古生物學家)對此進行了數學建模，以便探索究竟多大的信息量才會使得生物在上古時期對自身進行嚴酷的改造，進入滿是空氣的大陸生活，其中至關重要的一點便是眼睛的大小。他們在實驗中將這種假設稱為buena vista，相關的研究發表在《Proceedings of the National Academy of Sciences》。

MacIve目前的工作已經受到業內專家的肯定，而相關的古生物學研究也一直在對化石中能夠反映生物眼球大小的數據進行測量，之前他們也很好奇這系列的數據能夠反饋出動物視野的何種變化趨勢。皇家獸醫學院的John Hutchinson稱，雖然這種古生物學的測量數據早已有之，但是這種定性觀測只能在宏觀進化尺度上表現出特定的定量變化，並沒有涉及認知概念。

水下狩獵

早在2007年MacIver 就首次提出了他的假說，當時他還在南非研究黑鬼魚(black ghost knifefish)。這種特殊的電魚能夠通過在夜間發出電流來感知周圍的環境。MacIver類比這種特殊的魚類超能力像是人類的雷達系統。作為一名博學多才之士，以及對大自然的無限好奇之心，秉承所掌握的機械、數學、神經和古生物學知識，他自己打造了一個機械版的刀魚，當然，重點在於這條機械魚也具備類似的電感知系統，它被用來進行黑鬼魚奇特的感知能力和運動能力的相關研究。

通過調節黑鬼魚對周邊環境感知域的調節，來計算黑鬼魚潛在能夠捕獲的水跳蚤能力，他發現黑鬼魚的捕食感知能力其實與普通依靠水下視覺進行捕食的魚類差不多。但是這其中大有秘密，黑鬼魚需要通過釋放電信號來感知周邊環境，這意味著更多的能量消耗(想象成主動感知，對比被動感知視覺)。而他所作出的假設中，黑鬼魚應該比依靠視覺進行感知的普通魚類有著更小的感知域。可能是計算失誤？不過他立馬想到水對光線的吸收和折射會導致視野的梯度下降--這便是關鍵。在理想情況下，以清水為例，光線在水中的衰減距離(attenuation length)：水在被吸收和折射前所傳播的距離大約在10cm到2m之間。但是在空氣中，光線一般能夠傳播25-100km，當然也要考慮空氣濕度的影響。

受此因素的影響，水生生物很難通過眼部進化(增大)獲得更多的生存便利，同時會喪失很多，也就是水生生物不會通過點擊眼部技能樹獲取技能收益。而眼部的進化需要消耗大量的能量來維持，光感細胞、視神經以及大腦相關區域的神經細胞都需要消耗大量的能量來維持視覺感知。雖然通過擴大眼球以及對應的器官部分能夠提高生物的視覺感知能力，但是從整個生存邊際曲線上看，這種投入回報比十分低廉。MacIver類比單純的增大眼球相當於在霧中開大燈，其實並不能提高多少水下視野。

但是，一旦切換道陸生，眼球的增大卻能夠獲得異常優厚的視野擴展比例。

MacIver 由此推斷，在水陸模式切換的過程中，將帶來眼球規模的巨大變化，於是他找到了進化生物學家Neil Shubin，後者所在的團隊發現了一塊至關重要的魚類化石-Tiktaalik roseae，來自於 3.75億年前的這種魚類同時長有肺和鰓。MacIver 對此異常興奮，因為古生物學家們手中有一大堆數據，其中就有關於化石眼球大小的相關數據，只是他們並沒有看出其中的玄機，於是MacIver決定獨自展開研究。

鱷魚的眼球

MacIver還有個有趣的假設，但是需要相關的論據支撐。於是他與Schmitz組隊，後者是一名經驗豐富的四足動物化石研究者，他對這些化石的眼框大小了如指掌，之前提到的共有肺和鰓的魚類化石便是其中之一，接著他們便開始思考如何尋找支撐假說的推理鏈和支撐鏈。

他們首先遍歷了之前關於化石眼框部分的數據來尋找能夠支撐眼框大小變化的部分，間接代表眼球的大小，這兩者成正比。他們一共收集了59個標本頭骨數據，這些化石均為正在進行水陸過渡期四足動物化石，這樣除了眼球大小，他們還能估算大腦的大小。接著他們將相關數據導入電腦中的模型來模擬在物種在進化的延續中眼框大小的變化情況，以便獲得遺傳特性相關的推論。

他們確實發現了生物在水生-陸生轉變周期內眼球十分顯著增大，大約是三倍左右。在轉變前，化石的眼球平均直徑大約是13毫米，成功登錄后大到36毫米。此外，這些生物雖然來到陸地，可是在不久之後又回到了水中，就像墨西哥洞魚Astyanax mexicanus。他們的眼球最終又變回到14毫米左右，就像他們來到大陸之前一樣。

現在還有一個未解之謎，最初的假設中MacIver 認為只有生物完全登錄之後，眼球才會開始發生增大現象，因為是在開始陸生之後的捕食條件驅動了這一進化方向。但是從化石的數據上看來，這種增長以及在水陸切換的過程中就已經完成，甚至要早於魚類的鰭進化成爪爪。那麼，陸生條件便不完全是驅動水生生物登錄的主要因素了。

通過重新審視相關的數據，他們呢發現了另一個特點，這些生物的眼框位置在轉變過程中也不斷發生變化，從最初的顱骨兩側逐漸移到頭頂，並且在頭骨頂端形成兩個凸起。另外，在耳朵附近的呼吸孔也發生了相關的變化，變得容易接近水面進行呼吸。簡而言之，他們的頭骨變得類似於鱷魚。一瞬間，所有的矛頭都指向了正確的結論，兩棲--在水中生存時就獲得陸生視角。以最小的進化代價獲取在陸地捕食獵物的能力。

所以，在當時採用類似於鱷魚的捕食方式便是進化到陸生的魔法藥水。就像數據所表明的，在完全成為陸生生物之前，他們的四肢還尚未變化完全。

這一結論與劍橋大學古生物學家Jennifer Clack的研究，在名為 Pederpes finneyae的化石上的發現不謀而合。這塊化石中的生物還並非完全陸生，但是是已知最為古老的能夠在陸地行走的動物化石之一。從水生到陸生的過度階段，這顆化石中的生物被認為可以同時在水中和陸地生活。

為了對眼球的增長進行估算，MacIver希望找到陸生生物視野的極限。通過改進一個現有的生物模型，除了調整眼球大小，綜合考慮其他相關因素。在水中，擴大眼球大約只能在正常水生環境增加6-7米的視野，而在陸地上則能夠擴大額外的200-600米。

通過測試不同條件下的模型模擬，白天、夜間、沒有月光的夜間、星空、清水、渾水等，在任何條件下水生生物擴大眼球體積都不是明智的進化之選。而無論是白天還是夜間，獲得更為廣闊的視野都是有利的--捕食獵物，躲避天敵。

利用定量工具來解釋呆板的化石記錄是相對新穎的方式，大量的進化生物學家和古生物學家都開始藉助類似的方法。

大量的生物學家通過觀測化石來推論化石中的生物如何匹配現實環境。在發現該論文發表之後對其中的數據和相關的模擬讚賞不已。本章剩餘部分著重描述新方法在生物學相關領域的推廣，不在此贅述。

新的觀點

作為一個擁有神經學背景的生物學家，MacIver不可避免的聯想到新情況對這類過渡階段動物的認知和行為的影響。水生生物的捕食範圍受限於視野範圍，其實也僅限於面前一等生距離的範圍，因此，它們在捕食過程中進行的行為規劃將十分有限，進行的時間也不過幾毫秒。在霎那間，吃與被吃的結果就立馬顯現。

而在陸地上，我們能夠在更遠的距離上進行規劃，做出不同的條件判斷和捕食策略和逃跑策略。MacIver推測在登錄初期，突變的水生生物仍然採用類似直覺的捕食方案，但是隨著陸生生活的延長，他們的捕食和逃跑策略將變的額外複雜和精巧。這時，精神世界存在著另一場博弈，這可能才是真正的智慧之源，認知行為的初始-而非被傳唱的智慧果。

其他的器官同樣在接下來的認知發展中各種獨當一面，這是一件十分有趣的事情，聽覺如何發展？嗅覺在陸生之後又變的多麼重要？來自康奈爾的進化生物學家也對此十分著迷，其中一個例子就是大馬哈魚通過嗅覺溯流而上。

Hutchinson 也贊成感官在我們進化過程中所起到的引導作用，他們把研究擴展到除視覺之外的地方。雖然嗅覺和味覺在水中就已經被古生物所掌握，聽覺在變遷的初期變化要僅次於視覺。

他們希望接下來探索人類的進化方向，希望找到能夠激發人類進化的契機-「paleoneurobiology of human stupidity」。人類能夠通過短期內的威脅，做出遠期的規劃。但是仍然有很多局限的地方，這種規劃可能只是季節性的，甚至是可達數年的時間，但是和地質時間尺度比起來只是滄海一粟。他希望能夠通過類似研究尋找我們認知的盲點，接著便是突破。