【文/馬修‧科布(Matthew Cobb);譯者/蔡承志】

 

視覺敏銳的蝦蛄能見到紫外光、人類可見光,一路延伸到紅外線頻段。

 

超過35億年前的一群細胞,孕育出世上所有生命。在原始海洋的艱困條件下,那些生物得偵測能量、鹽分和食物的高低梯度才能存活。這些「生物先民」為了因應環境所做的嘗試承襲至今,成了今日生物的各種感官。如今我們已經更加了解自己的感官是如何演化成形,又是如何發揮作用的。儘管我們距離徹底摸透感官機制還有漫漫長路,不過目前所知已足以協助我們修復受損的感官,未來說不定還能強化它們的表現。

在所有動物感官中,都有群細胞能藉由改變內部狀態來呈現接收到的外界訊息。事實上,所有具細胞核的生物都具有這項基本機制,其中帶電的原子和分子(也就是離子)會穿過細胞膜上可以開閉的「通道」,造成胞內與外界環境的電荷出現差距,而就是這種改變讓生物得以做出反應。

我們就是靠這種機制才能看、聽、嗅、觸,進而表現出複雜的行為。就連草履蟲這種原始得讓我們得見十億年前生命模樣的生物,它細胞所發生的這類反應也與你身上的細胞並無二致。

構造簡單的草履蟲舞動體表幾千根微細纖毛向前移行。遇上東西時,它就改變纖毛的鞭打方式並倒退離開。草履蟲的觸覺單純至極:一旦撞上物體,它的外膜變形促使鈣離子通道開啟,讓鈣離子湧入細胞,觸發胞內電場產生變化,改變纖毛的揮舞方向,於是草履蟲就能脫身。隨後鈣離子通道關閉,鉀離子通道開啟,讓鉀離子離開細胞。這會恢復原本帶有微量負電的狀況,於是草履蟲又向前移行。

生命演化出這種改變細胞生理作用的簡單做法來因應外界環境,於是開啟了一扇通往準確、特化感官的大門。最早演化出的感官牽涉到生命最早面對關鍵挑戰所做出的種種反應,包括尋找代表食物來源的化學物質,或避開標示危險環境條件的化學物質。這群早期生物的導航做法應該很像現代細菌,是根據化學梯度(粒子的不同濃度)的高低來移動。

 

代代汰選而成的「天工」

自此開始,隨著生態環境中物種數量不斷增長,演化逐步形塑了各種感官。一個生物的「生態」就是牠所在的生活環境,還有和牠互動的其他物種,包括競爭者、天敵和獵物。這所有的生態層面都會影響一個物種演化出哪種感官,從而影響牠所感覺到的世界相貌。

想了解生態和演化是如何形塑感官,扁頭鯰魚(Pylodictis olivaris)是絕佳的範例。這種掠食型巨鯰住在美國密西西比河中,那裡的河水混濁,幾乎毫無能見度可言。扁頭鯰魚仍保有雙眼,不過非常小,所以牠捕捉獵物時得仰賴其他幾種感官。

扁頭鯰魚感覺系統的關鍵是個巨大的化學感測器官,也就是牠的體表。牠的體表沒有鱗片,而是滿布「味覺」受器,因此牠能察覺身邊水流所含數千種分子的濃度與品質變化。這種鯰魚身處泥濘世界,於是牠運用味覺和嗅覺來辨認位置,建構出河川的四維化學圖像。鯰魚以牠們複雜的感測器陣列來記住哪些化學物質和食物有關。

我們就像其他許多陸地脊椎動物一樣,主要靠視覺和聽覺來定位。對人類而言,這些感官還被用來溝通。

聽覺其實就是在感測壓力的變化。我們的內耳(螺旋狀的耳蝸)有叢叢細毛浸泡在流質中,隨流質的振動而左搖右擺。這些細毛的擺動會活化神經細胞的離子通道,產生動作電位,也就是細胞表面的某種變化,這會生成一股電脈衝,從聽神經向頭腦發送。不過振動在傳到你的耳蝸前,得先經過三根細小的骨頭。

外界聲音首先觸及你的鼓膜,接著鼓膜把振動經由三根骨頭(鎚骨、砧骨和鐙骨)傳送出去,最後傳進你耳蝸裡面的流體。這種傳遞方式效率極高:空氣傳來的聲音能量,約有六成能傳入耳蝸流質,這意味著在所有脊椎動物當中,哺乳類的耳朵效能最高。

 

完整內容請見《BBC知識國際中文版》第二十期(2013年4月號)。版權所有,轉載請註明出處。】

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