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從大雁遷徙時采用的“磁指南針”到海豚的聲吶，從海貍建造水壩到螞蟻發(fā)展農(nóng)業(yè)，我們?nèi)祟惏l(fā)明創(chuàng)造的大多數(shù)事物都可以在動物世界找到原型，動物通過數(shù)百萬年的緩慢進化獲得了這些。 很多人可能好奇過，輪子作為人類最好用的發(fā)明創(chuàng)造之一，為什么動物沒有通過進化得到一套“生物輪子”呢？
毫無疑問，輪式運動——也就是保持部分身體靜止的同時其它身體部分旋轉(zhuǎn)，這種運動方式在某些場景下是一種非常節(jié)能的運動方式，而且可以大大提升速度，正是因為輪子的出現(xiàn)，才大大提升了人類的搬運和移動效率。 另一方面，生物進化也比想象得更具創(chuàng)造力，就拿四足動物來說，當(dāng)它們需要飛向天空的時候，它們的前肢變成了翅膀，當(dāng)它們在水中生活時，它們的四肢長出了蹼和槳。
自然界中，有一些動物會把自己卷成一個球，以球的方式進行一些移動，但確實找不到一種多細胞生物擁有輪子的特征，同時執(zhí)行輪子的功能。 很多人可能會說，人類是因為有了道路，才發(fā)明了輪子，只有道路才能讓輪子發(fā)揮其作用，而自然界并沒有馬路，輪子并沒有實際意義。
△ 隨著地面變得柔軟，輪子運動時阻力N就會增大 輪子確實只有在硬質(zhì)的表面才更加節(jié)省能量，在柔軟的地面效率并不高，甚至需要更多的能量才能移動相同的重量。 但是，毋庸置疑，自然界肯定存在很多適合輪子移動的場景，輪子沒有被進化出來，肯定不是因為沒有道路，而是有其它一些原因。 動物復(fù)雜器官如何進化的？ 縱觀動物的各個器官，我們很難找到比眼睛更復(fù)雜的器官，一只眼睛包括角膜、瞳孔、晶狀體、視網(wǎng)膜、中央凹、視盤、視神經(jīng)......等等一系列結(jié)構(gòu)。
每一個結(jié)構(gòu)都是由特殊的細胞構(gòu)成的，所有這些細胞都必須完美地發(fā)揮作用，才能保證正常的視力。 我們只要簡單了解下，動物為什么可以通過進化得到眼睛這種復(fù)雜的器官，就很容易理解為什么輪子沒有被進化了。 首先，對于生物來說，感受太陽的光線是非常必要的，這肯定可以提升生存能力，一些動物因此進化出一些具有感光功能的細胞。 接著，如果生物擁有感光細胞，那么它就會想方設(shè)法更好的收集光線，因此一些動物的感光區(qū)域開始下沉形成一個凹槽——就像天文望遠鏡一樣，這樣就能更好地感知入射的光線。
繼續(xù)，一旦生物通過凹槽來收集光線，它很容易就會進一步改造這個凹槽，例如讓其變成上面有一個小開口的空腔——讓整個凹槽變成一個類似針孔照相機一樣的系統(tǒng)，這樣的話它們就不僅僅可以感知光線，還可以形成圖像。 這種空腔上面的小開口便是最早的瞳孔，而形成圖像可以讓動物更好的利用光線帶來的信息，了解周圍發(fā)生了什么。 有了這些之后，只要不停進行優(yōu)化，一個功能完善的生物眼睛就形成了。 您會發(fā)現(xiàn)，眼睛每一次發(fā)展都提供了一些優(yōu)勢，所以雖然眼睛很復(fù)雜，但確實很容易進化出來，所以在地球生物史上，眼睛其實被不同動物類群獨立進化了許多次。
輪子和眼睛最大的不同就是，輪子是一個不可簡化的復(fù)雜系統(tǒng)，它必須完美地組合才能正常工作。 如果輪子和軸不是圓形的，是不配對的，擁有錯誤的相對直徑，它也根本不會轉(zhuǎn)動，它需要上來就完美組合才能正常工作。 而進化通常只能分階段形成身體的各個部分，像輪子這種結(jié)構(gòu)，它的原始配件不會帶來任何優(yōu)勢，這注定了它永遠都不會開始。
另一方面，眼睛雖然復(fù)雜，但是它的每個配件其實是簡單的，是容易獲得，而輪子的每個配件其實都是復(fù)雜的。 就拿一個輪軸來說，它都需要復(fù)雜木工技術(shù)才能制作出來，這解釋了為什么人類直到青銅時代才有能力創(chuàng)造出輪軸系統(tǒng)。 在人類制造出輪軸之前，人類已經(jīng)在鑄造金屬合金，建造帆船甚至是挖掘運河，連豎琴和其他復(fù)雜的樂器都已經(jīng)能夠制造出來了。 所以，即便輪子的配件能夠提供某種好處，它的復(fù)雜性也讓生物很難獨立進化出來。
上圖是生物進化適應(yīng)度的表述圖，圖中的A、B、C三點指的是生物在那里生存和繁殖能力達到了頂峰。 箭頭指的是，生物種群通過自然選擇進化時可以移動的方向，不難發(fā)現(xiàn)，生物進化只有向上移動，這意味著從A到達B是不可能發(fā)生的。 輪子就是這種情況，它就像在B點，而所有的生物都處在了A點或者C點，或者其它的點，總之它不可能處在深谷，所以根據(jù)進化的適應(yīng)度，它們根本無法跨越到達B點，除非是推倒重建。 然而，即便一種動物真的推倒重建了，它們一出來就擁有一對完美輪子的基因藍圖，那么它還需要考慮生長問題。 想要讓輪子自由旋轉(zhuǎn)，那么輪子必須不附著在支撐身體其余部分的軸上，而如果沒有任何附著點，活著的輪子又要如何吸收營養(yǎng)和排出廢物呢？ 很顯然，提供一個永遠不打結(jié)的血管和神經(jīng)，讓輪子能夠轉(zhuǎn)動起來，也幾乎不可能。 所有，這些決定了輪式運動在多細胞生物中不會出現(xiàn)。
不過，單細胞生物中存在真正的輪式運動，就是細菌的鞭毛馬達。 鞭毛馬達由一組蛋白質(zhì)構(gòu)成，包括幾個用于固定和支撐鞭毛的環(huán)，以及轉(zhuǎn)子、定子等常規(guī)馬達的結(jié)構(gòu)，這種馬達結(jié)構(gòu)支持了鞭毛做輪式運動。
值得一提的是，大約50%的細菌都至少擁有一根鞭毛，以及支持它轉(zhuǎn)動的馬達，這意味著輪式運動在自然界可能是最常見的運動方式，只是我們?nèi)庋劭床灰姸选?/span> 另外，像鞭毛馬達這種似乎不可能通過進化出現(xiàn)的器官，自然界至少獨立進化了兩次，另外一次是古細菌，它們也擁用自己的鞭毛馬達。 不過，古細菌的鞭毛馬達無論是物理結(jié)構(gòu)，還是讓鞭毛轉(zhuǎn)動的能量來源，都與細菌鞭毛馬達不同，所以兩者肯定是擁有不同的起源。 |
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