隆德大学和萨塞克斯大学的最新研究表明，脊椎动物的最早祖先在近6亿年前曾经历过一个类似独眼巨人的阶段。据研究人员称，这种动物的中眼最终促成了脊椎动物今天使用的成对双眼的发育。
更引人注目的是，那个古老视觉系统的一部分可能仍作为松果体存在于现代大脑中，这是一个帮助调节睡眠的器官。
“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，”隆德大学感官生物学名誉教授丹-埃·尼尔森（Dan-E Nilsson）说。
微小的独眼祖先
研究人员描述的这位远祖是一种身体像蠕虫的小生物。它生活在近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获取食物。
在其进化史的早期，该生物似乎拥有两只眼睛，或者至少拥有两组能够检测光的细胞。成对眼睛在动物界很常见，因为它们帮助运动的动物判断方向、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仅仅是感光细胞还是简单的成像眼睛。我们只知道该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，因为它们提供的优势微乎其微。
然而，该动物确实在其头部中间保留了一簇能够感知光的细胞。这些细胞发育成了一个原始的中眼，也称为正中眼。
这个简单的器官可能无法生成详细的图像。相反，它可能帮助动物区分昼夜并确定哪个方向是向上的，这两点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，这种动物的后代开始再次活跃地游泳。移动的生活方式重新产生了对视觉的需求，特别是检测食物、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。
这种不寻常的过程可能解释了为什么脊椎动物眼睛的构造与许多其他动物的眼睛如此不同。
“现在我们终于明白了为什么脊椎动物的眼睛与所有其他动物群体（如昆虫和鱿鱼）的眼睛有着根本的不同。我们眼睛的薄膜——视网膜——是从大脑发育而来的，而昆虫和鱿鱼的眼睛起源于头部两侧的皮肤，”丹-埃·尼尔森说。
视网膜是衬在眼球背面的一薄层组织。它包含检测光线并将其转换为电信号的细胞，这些信号随后被发送到大脑并组合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是由脑组织发育而来的。相比之下，昆虫和鱿鱼的眼睛是通过涉及头部表面组织的不同进化路径产生的。
眼睛进化中的奇怪迂回
研究人员将脊椎动物的眼睛描述为一次不寻常进化迂回的产物。一位祖先在变得基本不活动后首先失去了成对眼睛，保留了一个简单的正中眼，后来利用该结构的一部分构建了一个新的、更先进的视觉系统。
他们的结论基于对动物界各类群感光细胞的广泛比较。研究小组检查了这些细胞在体内的位置、它们的功能以及它们如何与其他组织和神经连接。
这一证据表明，脊椎动物的眼睛是通过这一特定的变化序列产生的，而不是从产生昆虫、鱿鱼和其他动物眼睛的相同结构进化而来的。
“现在我们第一次也弄清了分析我们视网膜图像的神经回路的起源，”丹-埃·尼尔森补充道。
神经回路是处理信息的相连神经细胞网络。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。
仍在大脑中的古老眼睛
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，其进化遗存作为松果体留存至今，这是一个位于脊椎动物大脑深处的小器官。虽然人类不使用松果体来看图像，但它仍与身体对光和暗的反应有关。
松果体产生褪黑素，这是一种帮助控制昼夜节律的激素。这种内部计时系统影响着身体在每个约24小时的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，使褪黑素的产生在夜间上升，在白天下降。
“令人难以置信的是，我们的松果体根据光线调节睡眠的能力竟源于6亿年前一位远祖的独眼正中眼，”丹-埃·尼尔森总结道。