隆德大学和萨塞克斯大学的最新研究提出，脊椎动物的最早祖先在近6亿年前经历了一个独眼巨人般的阶段。据研究人员称，这种动物的中眼最终促成了今天脊椎动物所使用的成对眼睛的发育。
更令人惊奇的是，那个古老视觉系统的一部分可能仍然作为松果体——一个帮助调节睡眠的器官——存留于现代大脑之中。
"这些结果令人惊讶。它们彻底颠覆了我们对眼睛和大脑进化的理解，"隆德大学感觉生物学荣休教授丹-埃·尼尔森（Dan-E Nilsson）说道。
微小的独眼祖先
研究人员描述的遥远祖先是一种体型类似蠕虫的小型生物。它生活在大约6亿年前的海洋中，大部分时间固定在一处，通过过滤周围海水中的浮游生物来获取食物。
在其进化史的早期，这种生物似乎拥有两只眼睛，或至少拥有两组能够感光的细胞。成对眼睛在整个动物界很常见，因为它们帮助移动中的动物判断方向、距离以及周围物体的位置。
"我们不知道我们这一进化分支中的成对眼睛究竟是单纯的感光细胞还是简单的成像眼睛。我们只知道这种生物后来失去了它们，"丹-埃·尼尔森说。
由于这种生物采取了如此安静和固着的生活方式，它不再严重依赖成对视觉。经过许多代，眼睛逐渐消失，因为它们几乎没有提供任何优势。
然而，这种动物确实保留了头部中间一组能够感光的细胞。这些细胞发育成了一个原始的中眼，也被称为正中眼。
这个简单的器官可能无法产生详细的图像。相反，它可能帮助动物区分昼夜并判断哪个方向是向上的，这两者对于在海洋中生存都非常有用。
成对眼睛如何重现
数百万年后，这种动物的后代又开始主动游泳。移动的生活方式重新产生了对视觉的需求，尤其是探测食物、障碍物、捕食者和运动方向的能力。
研究人员得出结论，原始正中眼的一部分在进化过程中被重新利用。从这个中央视觉结构中，最终发育出了一对能够成像的新眼睛。
这一不寻常的过程可能解释了为什么脊椎动物的眼睛构造与许多其他动物的眼睛截然不同。
"现在我们终于理解了为什么脊椎动物的眼睛与所有其他动物类群——如昆虫和乌贼——的眼睛有如此根本性的差异。我们眼睛的薄膜——视网膜——是由大脑发育而来的，而昆虫和乌贼的眼睛则起源于头部两侧的皮肤，"丹-埃·尼尔森说。
视网膜是衬在眼球后部的一层薄组织。它含有感光细胞，将光转换为电信号，然后传送到大脑并组装成我们所看到的图像。
在脊椎动物中，视网膜与大脑密切相关，因为它在进化过程中由脑组织发育而来。相比之下，昆虫和乌贼的眼睛则是通过涉及头部表面组织的不同进化路径形成的。
眼睛进化中的奇特弯路
研究人员将脊椎动物的眼睛描述为一次不寻常的进化弯路的产物。一个祖先在变得基本不活动后首先失去了成对眼睛，保留了一个简单的中眼，后来又利用该结构的一部分构建了一个新的、更先进的视觉系统。
他们的结论基于对各动物类群感光细胞的广泛比较。研究团队考察了这些细胞在体内出现的位置、它们的功能，以及它们如何与其他组织和神经连接。
这些证据表明，脊椎动物的眼睛是通过这一特定的变化序列产生的，而非由产生昆虫、乌贼和其他动物眼睛的相同结构进化而来。
"现在我们首次也理解了分析我们视网膜中图像的神经回路的起源，"丹-埃·尼尔森补充道。
神经回路是相互连接的神经细胞网络，负责处理信息。在视网膜中，这些回路甚至在视觉信号到达大脑之前就开始对其进行组织，帮助识别亮度、对比度、运动和形状等特征。
仍存在于大脑中的古老眼睛
该理论最令人惊讶的部分可能是，古老的正中眼从未完全消失。
研究人员认为，它的进化遗存至今以松果体的形式存续，这是位于脊椎动物大脑深处的一个小器官。虽然人类不使用松果体来看图像，但它仍然与身体对光和暗的反应相关联。
松果体产生褪黑素，这是一种帮助控制昼夜节律的激素。这个内部计时系统影响着身体在每个约24小时周期中何时感到清醒或困倦。
在许多脊椎动物中，松果体系统对光直接敏感。在人类中，关于光的信息主要通过眼睛到达大脑，使褪黑素的分泌在夜间升高、白天降低。
"令人难以置信的是，我们松果体根据光调节睡眠的能力，竟源于6亿年前一个遥远祖先的独眼巨人般的正中眼，"丹-埃·尼尔森总结道。