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为什么生命如此多彩?

原理  · 公众号  · 科学  · 2025-02-18 20:30

正文




我们的远古地球,是一个以柔和的棕色、灰色和绿色为主的世界。但今天,我们的星球已被万花筒般的色彩所点缀。从雄孔雀炫目的羽毛到绚烂多姿的花朵,地球历经了一系列的进化,才得以如此五彩斑斓。然而,这场色彩的爆发是如何发生的?又为何会发生?



视觉的进化


生物世界向色彩敞开的旅程始于 视力 的进化。早在6亿多年前,最早的生物或许仅能感知光明与黑暗。这一能力可能出现在单细胞生物 (如细菌) 中,使它们能够感知环境变化,例如太阳光的方向。


随着时间推移,视觉系统逐步进化,使生物能够感知更广泛的光谱。例如, 三色视觉 ——即感知 红、绿、蓝 三种不同波长的能力——可追溯至约5亿至5.5亿年前。这一进化与 “寒武纪大爆发” (大约5.41亿年前) 相吻合,那是生命迅速多样化的时期,高级感官系统 (如视觉) 也在这一阶段得到发展。


最早拥有三色视觉的动物是一类 非脊椎动物——节肢动物 (如昆虫、蜘蛛和甲壳类动物) 。而在4.2亿至5亿年前, 脊椎动物 也开始具备三色视觉,使它们能够比单色视觉的生物更精准地识别猎物和捕食者,提高在环境中的导航能力。


化石证据提供了进一步的线索。例如, 三叶虫 ——一类生活在5亿多年前的已灭绝的海洋节肢动物,就拥有 复眼 。复眼由多个小透镜组成,每个透镜负责捕捉视野的一部分,并最终拼接成马赛克般的影像。这一视觉结构能够探测多种光波长,使三叶虫在昏暗的海洋环境中获得进化优势,提高运动感知能力和生存竞争力。


这些证据表明,生物在自身变得五彩斑斓之前,便已具备感知色彩的能力。



第一场色彩革命


生命世界的 第一场色彩革命由植物引领 。早期的植物进化出了五彩斑斓的果实和花朵,如红色、黄色、橙色、蓝色和紫色,以吸引动物帮助传播种子和授粉。


基于现代植物变异的分析模型显示, 彩色果实大约出现在3亿至3.77亿年前 ,并与以果实为食的动物 (如哺乳动物的早期近亲) 共同进化。相比之下, 花朵及其传粉者的出现更晚,大约在1.4亿至2.5亿年前 ,这标志着地球色彩进化的重要转折点。


到了约1亿年前的白垩纪, 被子植物 (开花植物) 的兴起进一步推动了色彩的大爆发 。因为花朵为了吸引蜜蜂、蝴蝶和鸟类等传粉者,进化出了比种子更鲜艳的色彩,塑造了丰富的生态景观。



动物的色彩进化


动物的显著色彩进化 不早于1.4亿年前 。在此之前,大多数动物的体色以柔和的棕色和灰色为主。 色彩的进化并非必然 ,是由生态和进化因素塑造的,这些因素可能在不同的情况下导致不同的结果。


鲜艳的色彩通常是一种用于吸引配偶、震慑捕食者或建立等级优势的 生存信号 。例如,性选择在色彩进化中扮演了关键角色。恐龙化石为早期动物的色彩提供了惊人的证据。例如,近鸟龙化石中的黑素体 (含色素的细胞器) 显示,它们曾拥有鲜艳的红色羽毛,这些羽毛可能用于 求偶展示或威吓对手


类似地,1千万年前的一种绿黑相间的蛇的鳞片化石表明,早期的爬行动物也利用颜色进行 伪装 传递信号


不过,色彩的进化并不总是简单明了的。例如,毒箭蛙的鲜艳色彩 (蓝色、黄色或红色) 并非用于吸引配偶,而是一种 警戒信号 ,用来警告捕食者它们具有毒性。


但有趣的是,一些与毒箭蛙亲缘关系较近的物种虽然同样有毒, 却进化出了伪装色,而非警戒色 。那么,既然隐蔽也能威慑捕食者,为何还要进化出显眼的色彩?答案在于 局部的捕食者生态及色彩生成的代价 。在某些环境中,捕食者已经学会将明亮色彩与毒性联系起来,此时显眼的颜色反而是一种有效的生存策略。而在其他情况下,伪装可能更有利。


与大多数哺乳动物的 二色视觉 不同, 灵长 (包括人类) 进化出了三色视觉,使其能够感知更广泛的色调,包括红色。这一特性可能帮助我们的祖先在森林中更容易找到成熟的果实,同时也可能在社交互动中发挥作用。


值得注意的是, 不同物种感知的色彩并不相同 。例如,人类看到的花朵颜色,与蜜蜂等传粉者所看到的并不一致。蜜蜂能够探测紫外线光谱,它们看到的花纹往往隐藏在人类视野之外,这显示了色彩是如何根据不同物种的生态需求进行定制的。



未来的色彩进化







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