地球上是如何进化出像人的眼睛和大脑这样复杂的器官的？

眼睛的进化

尽管人类眼睛的解剖结构看似简单，但它却是一个极其复杂的结构。达尔文同样对眼睛的复杂性感到惊奇，然而，尽管他不能确切地解释，但他相信眼睛如此惊人的复杂性可以通过进化过程来实现，即使非常小的变化，只要是有利的，就可以代代相传，繁衍生息，创造出像人眼这样复杂的奇迹。达尔文提出了人类眼睛是逐步进化而来的，通过不同生物眼睛差异比较，可以发现简单眼睛到最复杂眼睛是循序渐进的。事实上，在进化过程中，确实存在大量的过度生物将一种类型的眼睛与另一种类型的眼睛连接起来，最简单的眼睛只不过是聚集在一起的一小部分感光细胞的斑点，最终进化到人类眼睛的复杂程度。

1994年，生物学家Nilsson和Pelger 发表了一篇经典论文，从一个简单的感光眼窝开始，研究了复杂相机型眼睛的进化过程，他们的理论认为一系列的无意识的渐变，从眼点到鱼眼，需要经过1829个1%的变化逐渐积累，过程需要跨越大约35万代，或者大约50万年。

一些远古生物通过皮肤上简单的感光点获得一些微小的生存优势，比如躲避捕食者。最开始在感光细胞的前面有一层透明的上皮，眼斑简单扁平的生物包括刺胞虫水母、涡虫、环节动物和海星。蚯蚓和海胆的眼斑由分散在它们表面上皮细胞上的单细胞光感受器组成。一些有眼斑的生物的整个身体很大程度上是半透明的，这些生物没有相关的色素细胞，因此不能辨别任何确定光源的方向，只能感受的周围环境是亮还是暗；其他半透明的生物有色素细胞，可以确定光源的方向，以生物可以有意地朝向或远离光源。接着，眼窝向内凹陷，这可以让眼睛更好地感知光线的方向，从而提高视力，扁形虫有这样的眼睛。

凹坑的边缘开始收缩，形成一个更窄的开口或孔，在开口周围，凹坑开始充满透明的胶状物，胶状物或粘液有助于保持核的形状，并有助于保护光敏细胞免受化学损伤。而且，胶状物还可以防止泥和其他碎片进入眼睛。随着凹陷越来越深，孔径越来越窄，信息变得更加精确，眼睛开始有可能辨认出形状。接下来，眼睛需要一个镜头，于是出现一个球形的透明细胞团晶状体，晶状体可以通过非常微小的折射率增加来细化，从而使眼睛能够聚焦，蜗牛或蛞蝓身上就发现了这种带有原始晶状体的眼睛。

随着时间的推移，晶状体向光敏表面的曲率中心移动，而且折射率增加，晶状体中心折射率比边缘折射率高，这种渐变折射率能够纠正失真，显著提高了图像质量。至此，经过一系列渐变之后，照相机式眼睛的进化就完成了。

远古的单细胞生物没有大脑，但它们拥有复杂的感知并且能够对环境做出反应，多细胞动物的进化依赖于细胞能够感知并对其他细胞做出反应，从而使多个细胞协同工作。例如，海绵通过身体管道泵入的水过滤食物，通过缓慢地膨胀和收缩这些通道，以排出沉淀物防止管道堵塞。当细胞检测到像谷氨酸或GABA这样的化学信使时，就会触发这些动作，这些化学物质在今天的大脑中起着类似的作用。

将化学物质释放到水中是一种非常缓慢的与远处细胞交流的方式，玻璃海绵进化出一个更快的方法——发射一个电脉冲，使所有泵水的鞭毛在几秒钟内停止动作。因为所有的活细胞通过泵出离子在细胞膜上产生电势，打开离子在膜上自由流动的通道会使电位发生突然变化，如果附近的离子通道也随之打开，一种波可以以每秒几米的速度沿着细胞表面传播，由于玻璃海绵中的细胞融合在一起，这些脉冲可以传遍整个身体。

许多传递电信号、释放和检测化学信号所需要的成分都存在于一种叫领鞭虫（choanoflagellates）的单细胞生物体中。这一发现意义重大，在大约8.5亿年前， 领鞭虫进化产生了动物。所以几乎从一开始，早期动物体内的细胞就有可能通过电脉冲和化学信号相互交流。

从那时起，对于某些细胞来说，成为专门携带信息的细胞是一个很大的飞跃，这些神经细胞进化出长长的、线状的轴突，用来远距离传输电信号。它们仍然通过释放谷氨酸等化学物质将信号传递给其他细胞，但它们是在突触与其他细胞相遇的地方传递信号的，这意味着化学物质只需要在一个很小的缝隙中扩散，就能大大加快速度。所以神经系统诞生了。第一批神经元很可能是在一个遍布全身的扩散网络中连接起来的，这种结构被称为神经网络，在水母和海葵中仍然可以看到。

一些动物中，神经元群开始出现中枢神经系统，信息能够被处理，而不仅仅是传递，使得动物能够以更加复杂的方式移动和对环境做出反应。最特殊的神经元群第一个类脑结构在嘴和原始眼睛附近发育，发生在一种叫做urbilaterian的蠕虫类生物身上，urbilaterian是大多数现存动物的祖先，包括脊椎动物、软体动物和昆虫。然而urbilaterian的一些后代，比如橡子虫，却没有这种神经元环

无论如何，脊椎动物的祖先有一个中央的、类似大脑的结构。这些原始的类鱼生物类似于文昌鱼，文昌鱼的大脑与脊髓几乎没有什么区别，但其特殊区域是显而易见的，例如后脑控制着游泳动作，前脑则参与视觉。

早期的鱼类在寻找食物和配偶，躲避捕食者过程中，大脑中许多核心结构仍在进化——视觉中枢参与用眼睛跟踪移动的物体；杏仁核对恐惧情况做出反应；边缘系统带来奖励的感觉，帮助储存记忆；以及控制运动模式的基底神经节。

到3.6亿年前，动物祖先登陆，最终在大约2亿年前产生了第一批哺乳动物，哺乳动物的大脑表面有一个小的新皮质大脑皮层，负责哺乳动物行为的复杂性和灵活性。这个关键区域是如何以及何时进化的仍然是个谜，因为现存的两栖动物和爬行动物都没有相似结构。