看他們都在探討是否對稱的問題,我這裡說說為什麼會進化出對稱。
雖然進化屬於生物學範疇,但造成普遍對稱趨勢的卻是物理現象。
先說動物。
自動物起源開始,就是生活在海洋裡。所以它們每移動一步,就受到阻力和粘性力的影響。
不過,海綿一年也就移動幾釐米,所以受力幾乎可以忽略不計。因而,它們從宏觀上的大結構來說,沒有形成長得對稱的動力。
但是,海綿生活在水裡,海水動盪,對它們的影響也不能忽略不計。
所以,它們在一些區域性上,儘量減少水衝擊力的影響。於是長成了球狀或者圓柱狀的結構。
那為什麼會長成球狀或者柱狀結構呢?
根據阻力公式:
- C 為水的阻力系數;ρ為空氣密度;S 為迎風面積;V 為水流速度。
當水的密度ρ和海綿結構的橫截面 S,以及水流速度相對固定時,阻力系數越低,那麼受到的阻力也就越低,越有利於生存。
那什麼樣的阻力系數最低呢?
雖然不同的形狀和狀態影響阻力系數的計算,但對於形狀相對固定的物體來說,它的阻力系數和夾角是正比關係的。
理論來說,海綿某一方向的夾角足夠小,那麼受到的阻力也就最小。
例如,旗魚透過長長的“鼻尖”,來降低在水中的阻力。
那為什麼海綿沒有長得尖尖的呢?
主要原因在於水的流動是不固定的,來自四面八方。
就說像旗魚這樣,雖然前方受到的阻力是小了,但一個湍流從側面而來,直接就被掀翻了。
所以就必須有一個形狀,把四面八方阻力的上限降到最低。
在不考慮粘度的情況下,垂直平面的阻力系數是 1,柱狀(弧面)是 0.5。
也就是說柱狀或者球狀,在應對四面八方來的水流時,可以降低一半的阻力,這是一個很大的優勢。這同樣是樹幹進化成柱狀的根本原因。
隨著生物的進化,動物有了更多的運動需求,出現了刺胞動物(水母等等)。
一開始進化出來的刺胞動物會是一些體型很小的動物,它們不僅受到水阻力的影響,也會受到粘度的影響。
根據牛頓粘性定律,粘性力
η為動力粘度係數,A 為接觸面積,括號中間的是速度梯度。
從公式來看,在相同的溫度,以及水流環境下,水的動力粘度係數和流速梯度都相對固定。
粘性力與接觸面積 A 成正比,而對於形狀不變的物體來說,物體的表面積又和接觸面積成正比,與物體尺度的平方成正比。而物體的質量(慣性)與物體尺度的三次方成正比。
所以,對於尺度越小的物體來說,會受到粘性力的明顯影響。
1883 年,英國物理學家雷諾觀察到了這一現象,首先總結出它們的關係:
Re 便是雷諾數,與流體密度ρ、流速 v,以及物體的特徵長度 L(尺度大小)成正比,而與粘度μ成反比。
所以,在外界條件限定的情況下,雷諾數和尺度反比。
當雷諾數足夠小時,粘性力的影響會大於慣性,嚴重影響生物的自主運動。而當雷諾數足夠大時,慣性的影響會明顯強過粘性力,生物自主運動的受到的影響就會較低。
所以我們也能觀察到這樣的現象,對於足夠大的生物掉落在水中,沒有明顯的粘滯感。而對於蠓這樣的小型動物來說,掉落水中就會有明顯的粘滯感。
所以,一開始進化出來的小型刺胞動物,運動能力相當有限。
頭部也只能往圓面的方向發展,來降低阻力。
頭部形成了圓面,運動受力要均衡,自然也就形成了輻射對稱,只能以湧動的方式進行運動。
後來,有一批水母的浮浪幼蟲逐漸進化成了另外一種生物——扁形蟲(浮浪幼蟲起源說)。由於扁形蟲幹細胞比例高,再生能力強,100 多年來,經常被人類切著玩。
例如渦蟲,經常被碎屍萬段,然後觀察它們化整為零的表演。
那麼,扁形蟲這樣扁扁的形狀,是怎麼進化出來的。
主要原因在於,它們起源的時候,是海洋底棲的。
在海洋底部的時候,你圓滾滾的狀態,自然不利於運動的。反而變成扁形的,貼於海底,更有利於降低水的阻力。
一開始的扁形蟲並不需要多大的運動需求,且隨著生物提醒的增大,粘性力的影響也就越來越低了。後來的大體型生物,在進化的過程中,更多的受到阻力的影響。
正是因為這樣的因素,所以底棲的海星和比目魚都是扁形的。
但刺胞動物的浮浪幼蟲,本身屬於偏柱狀的形態。
所以,隨著底棲扁化之後,自然而然也就成了兩側對稱的生物。
也差不多從扁形蟲開始,動物逐漸分化成了後口和原口兩大類。我們知道,生物進化其實就是一個模板再套一個模板的過程,已經寫好的“程式碼”無法再抹除(當然,可以透過變成內含子來隱藏,但一些基本的框架已經無法改變)。
所以後來的原口和後口動物,自然就只能是以兩側對稱為主了。
至於海星這樣的棘皮動物來說,先天都是兩側對稱,它們的輻射對稱是次生出來的。
但為什麼只有海星次生出輻射對稱,在其它動物之中沒有流行呢?
其實這主要和海星複雜的生活史有關。早期的生物,為了適應海洋環境,從進化出了比較複雜的生活史。例如,海鞘為首的尾索動物,甚至成年體還退化了“大腦”,直接營固著生活。
乃至於它們的形態,也帶著那麼一點的輻射狀:
海膽甚至還長得給個球樣。
決定這一切的,又得迴歸到物理上來。
無論這些動物怎樣千姿百態,它們之所以長得這樣的與眾生不同,有一個很大的特點,就是成年體速度很慢,甚至直接營固著生活。它們自然需要根據環境的不同,變化自己的形態,以在保證生活所需的狀態下,儘量的降低水流的影響。
而對於越有速度需求的生物,形態則更加的往流線型的方向發展。
寒武紀爆發時,節肢動物出現,但節肢動物很依賴幾丁質外殼,它們的運動速度相對來說,也並不是很快,而且不少也是底棲生物。
所以整體形態,依舊是扁狀的。
但同時期進化出來的脊索動物就不一樣了,它們在節肢動物的早期制霸下,必須快速逃跑,所以進化出了發達的肌肉和流線型的體態。
所以,進化成今天魚類這樣扁形的形態,才是最有利生存的。
這樣既能降低阻力面積,又能方便肌肉源源不斷地提供進行的動力。甚至進化出了各種魚鰭,方面驅動和協調。
先前已經說了,生物在後天的進化過程中,無論生理功能隨著環境再怎麼變化,也離不開祖輩的遺傳模板。
所以,後來進化出來的哺乳動物,在陸地上哪怕進化出了厚實的身板,對於那些重返海洋的哺乳動物來說,在沒有遇到特殊生境壓力的情況下,它們也無法再變成魚的體態。
它們主要改造身體的流線型結構,但厚實的身板依舊和一半魚類有著極大的差別。
當然,對於大體型的魚類來說(例如鯊魚),只要不是底棲的,都會有更大的演化動力往厚實的體型發展,畢竟體型足夠大之後,過扁的豎狀的體型,會受到阻力的過大影響,不利於生存。
但無論怎麼發展,都不會怎麼失去對稱性。過於不對稱,代表著左右兩邊受力不均勻,會大大影響生存能力。尤其是對於飛行的鳥和昆蟲來說。
最後簡單說說植物。
由於植物,幾乎完全不動,所以它們的形態,更是受到環境的影響。
例如,風決定了樹幹的圓柱狀,對光的競爭,決定了葉片的兩側對稱。繁殖需求,決定了花朵的對稱性。
但是,植物的宏觀形態,通常不存在什麼對稱性。
總的來說,生物大體上都是對稱的,主要原因在於,受到生物力學長達數億年的影響。
根據對不同環境的不同適應,它們的對稱,自然也有各種各樣的差異。
更何況,絕對的對稱,只存在於數學之中。
