지구상의 삶은 물에서 시작되었습니다. 따라서 첫 번째 동물이 육지로 이사했을 때, 그들은 지느러미를 팔다리로 교환하고 폐를 위해 아가미를 교환해야했기 때문에 새로운 지상 환경에 적응하는 것이 좋습니다.
오늘날의 새로운 연구는 폐와 사지로의 전환이 이러한 생물의 변화에 대한 전체 이야기를 말하지 않는다고 제안합니다. 그들이 바다에서 나왔을 때, 그들은 산소화 된 공기보다 더 소중한 것을 얻었습니다 :정보. 공기 중에는 눈이 물 아래에서 할 수있는 것보다 훨씬 더 멀리 볼 수 있습니다. 노스 웨스턴 대학의 신경 과학자이자 엔지니어 인 Malcolm Maciver에 따르면 증가 된 시각적 범위는 "정보 지퍼 라인"을 제공했습니다.
Maciver는이 지퍼 라인 인 Maciver는 기초적인 사지의 선택을 이끌었고, 이로 인해 동물들은 처음으로 육지에 대한 짧은 길을 만들 수있었습니다. 또한, 더 진보 된인지 및 복잡한 계획의 출현에 중요한 영향을 미쳤을 수 있습니다. Maciver는“사지를 과거로보고 화석이 잘되지 않는 정보가 실제로 우리를 육지로 데려온 것이라고 생각하기가 어렵다”고 말했다.
Claremont Colleges의 고생물학자인 Maciver와 Lars Schmitz는 공기 거주 생물이 이용할 수있는 정보의 증가가 Eons에서 눈 크기의 증가로 어떻게 나타 났는지 탐구하는 수학적 모델을 만들었습니다. 그들은 국립 과학 아카데미 의 절차에서“부에나 비스타”가설이라고 부르는 것을 뒷받침하기 위해 축적 된 실험적 증거를 설명합니다. .
Maciver의 작업은 이미 혁신적이고 철저한 접근 방식 으로이 분야의 전문가들로부터 찬사를 받고 있습니다. 고생물학 자들은 화석의 눈 크기와 동물의 비전에 대해 우리에게 말할 수있는 것에 대해 오랫동안 추측 해 왔지만“이것은 한 걸음 더 나아가고 있습니다. 거시적 진화 시간 동안 가정을 테스트하고 큰 변화를 정량적으로 추적하고 있습니다.”
수중 사냥꾼
Maciver는 2007 년에 처음으로 그의 가설을 제시하면서 남아메리카의 검은 고스트 나이프 피쉬 (Black Ghost Kniffish Fish)를 연구하면서 물에서 전기류를 생성하여 환경을 감지하여 밤에 사냥하는 전기 물고기입니다. Maciver는 그 효과를 일종의 레이더 시스템과 비교합니다. Maciver는 생물학, 신경 과학 및 고생물학 외에도 로봇 공학과 수학에 대한 관심과 경험을 가진 다형성의 무언가 인 이국적인 감지 능력과 비정상적으로 민첩한 움직임을 연구하기 위해 전기 감각 시스템으로 완성 된 로봇 버전의 나이프 피쉬 버전을 만들었습니다.
.Maciver가 칼 피쉬가 잠재적으로 좋아하는 먹이 중 하나 인 물 벼룩을 감지 할 수있는 공간의 양을 비교했을 때, 같은 먹이를 사냥하기 위해 시력에 의존하는 물고기의 벼룩을 발견하면 거의 동일하다는 것을 알았습니다. 이것은 놀랍습니다. 나이프 피쉬는 세상을 인식하기 위해 전기를 생산해야하기 때문에 많은 에너지가 필요한 것-그는 시력 중심 물고기와 비교하여 먹이에 대한 감각량이 작을 것으로 예상했다. 처음에 그는 간단한 계산 오류를했다고 생각했습니다. 그러나 그는 곧 예기치 않게 작은 시각적 감각 공간을 설명하는 임계 요인이 물이 흡수되고 빛을 흩어지는 양이라는 것을 발견했습니다. 예를 들어, 신선한 얕은 물에서, 빛이 10 센티미터에서 2 미터 사이의 흩어 지거나 흡수되기 전에 빛이 이동할 수있는“감쇠 길이”. 공기 중에는 빛이 공기 중에 얼마나 많은 수분이 있는지에 따라 25 ~ 100km 사이로 이동할 수 있습니다.
이 때문에 수생 생물은 눈 크기의 증가로 인해 많은 진화론 적 이점을 얻지 못하며 잃을 것이 많습니다. 눈은 진화 적 용어로 비용이 많이 듭니다. 뇌의 시각 영역에서 광 수용체 세포와 뉴런은 기능을 위해 많은 산소가 필요합니다. 따라서 눈 크기의 증가는 그 추가 에너지를 정당화하기 위해 상당한 이점을 얻었습니다. Maciver는 물의 눈 크기가 증가하는 것이 더 멀리 보려고 안개 속에서 높은 빔을 전환하는 데 비해.
그러나 일단 눈을 물에서 공기로 꺼내면 눈 크기가 클수록 볼 수있는 거리가 비례합니다.
Maciver는 물 대 전이 동안 눈 크기가 크게 증가했을 것이라고 결론 지었다. 진화론 생물 학자 Neil Shubin에 대한 그의 통찰력을 언급했을 때 - Tiktaalik Roseae 을 발견 한 팀의 일원 폐와 아가미가있는 3 억 7,500 만 년 전의 중요한 과도기 화석. 그들은 단지 변화에 큰 의미를 부여하지 않았습니다. Maciver는 스스로 조사하기로 결정했습니다.
악어 눈
Maciver는 흥미로운 가설을 가지고 있었지만 증거가 필요했습니다. 그는 4 개의 다리 "Tetrapod"화석 (Tiktaalik 의 눈 소켓을 해석하는 데 전문 지식을 가진 Schmitz와 팀을 이루었습니다. 두 과학자는 Maciver의 아이디어를 가장 잘 테스트하는 방법을 숙고했습니다.
Maciver와 Schmitz는 먼저 화석 기록을 신중하게 검토하여 눈 소켓 크기의 변화를 추적했으며, 이는 소켓 크기에 비례하기 때문에 눈의 해당 변화를 나타냅니다. 이 쌍은 눈 궤도와 두개골의 길이를 측정 할 수있을 정도로 충분히 손상되지 않은 물에서 랜드 전이 기간에 걸쳐 59 개의 초기 테라 포드 두개골을 수집했습니다. 그런 다음 해당 데이터를 컴퓨터 모델에 공급하여 여러 세대에 걸쳐 눈 소켓 크기가 어떻게 바뀌 었는지 시뮬레이션하여 그 특성의 진화 적 유전 적 표류를 얻었습니다.
.그들은 실제로 과도기 동안 눈 크기가 크게 증가한 것으로 나타났습니다. 전환 전 평균 눈 소켓 크기는 13 밀리미터였으며, 이후 36 밀리미터와 비교했습니다. 또한 물에서 땅으로, 물로 돌아간 생물들에서 멕시코 동굴 물고기 Astyanax mexicanus 처럼 - 평균 궤도 크기는 이전과 거의 같은 14 밀리미터로 줄었습니다.
이 결과에는 한 가지 문제가있었습니다. 원래 Maciver는 동물이 완전히 지상파가 된 후에 증가가 발생했다고 가정했습니다. 왜냐하면 육지에서 더 멀리 볼 수 있다는 진화 적 이점은 눈 소켓 크기의 증가를 초래했기 때문입니다. 그러나 생물이 물고기와 같은 부속물에 초보 숫자를 개발하기 전에도 물에서 랜드 전환이 완료되기 전에 변화가 일어났다. 그래서 어떻게 육지에 있는가는 눈 소켓 크기의 점진적인 증가를 이끌어 냈습니다.
이 경우,“악어처럼 사냥하는 것은 지상의 관문 약물 인 것 같습니다.”라고 Maciver는 말했습니다. "데이터가 행동하기 전에 데이터가 나오는 것처럼, 육상에서 올라오르는 것은 물 위의 눈을 찌르는 시각적 성능의 큰 이익이 사지를 위해 점차 선택되지 않은 먹이의 공급원을보기 위해 어떻게 시각적 인 성능의 큰 이익을 얻었는지에 대한 것이 었습니다."
.이 통찰력은 캠브리지 대학교의 고생물학자인 Jennifer Clack의 작품과 일치합니다. 육지를 걷는 가장 오래된 발이 있었지만 진정으로 지상의 생물이 아니 었습니다. 초기 테트라 포드는 주로 수생이었고 나중에 사면체는 명백히 지상적 이었지만 고생물학 자들은이 생물이 물과 땅에서 시간을 보냈을 가능성이 있다고 생각합니다.
눈 크기가 얼마나 증가했는지를 결정한 후, Maciver는 동물이 더 큰 눈으로 볼 수있는 정도를 계산하기 시작했습니다. 그는 눈의 해부학뿐만 아니라 주변 환경과 같은 다른 요인들을 고려하는 기존 생태 학적 모델을 조정했습니다. 물에서 더 큰 눈은 시각적 범위 만 6 미터에서 거의 7 미터로 증가합니다. 그러나 공기 중 눈 크기를 증가시키고 범위의 개선은 200 미터에서 600 미터로갑니다.
Maciver와 Schmitz는 일광, 달이없는 밤, 별빛, 맑은 물 및 어두운 물과 같은 여러 가지 조건에서 동일한 시뮬레이션을 실행했습니다. Maciver는“문제가되지 않습니다. “모든 경우에, [공기 중] 증가는 엄청납니다. 그들이 물에서 넓은 일광에서 사냥을하고 달이없는 밤에만 나왔더라도, 그것은 여전히 비전에 유리합니다.”
.화석 기록에서 패턴을 설명하는 데 도움이되는 정량적 도구를 사용하는 것은 문제에 대한 새로운 접근법이지만, Schmitz와 같은 수많은 고생물학 자와 진화론가들이 이러한 방법을 수용하고 있습니다.
호주의 플린 더스 대학교 (Flinders University)의 고생물학자인 존 롱 (John Long)은“고생물학의 많은 부분이 화석을보고 화석이 특정 환경에 어떻게 적합 할 수 있는지에 대한 이야기를 만들고있다”고 말했다. “이 논문에는 매우 좋은 실험 데이터가 있으며 다양한 환경에서 비전을 테스트합니다. 그리고 그 데이터는이 물고기에서 볼 수있는 패턴에 맞습니다.”
Schmitz는 지난 10 년간 정량적 접근에서 두 가지 주요 발전을 확인했습니다. 첫째, 더 많은 과학자들은 현대 비교 생물학에서 화석 기록 분석에 이르기까지 동물이 서로 관련되는 방법을 연구하고 있습니다. 둘째, 예를 들어 공룡이 얼마나 빨리 달릴 수 있는지 결정하기 위해 실제로 테스트 가능한 방식으로 고대 생물의 생체 역학을 모델링하는 데 많은 관심이 있습니다. 화석 해석에 대한 이러한 모델 기반 접근법은 생체 역학뿐만 아니라 감각 기능에 적용될 수 있습니다.이 경우 물에서 나오는 것이 초기 사트라 포드의 비전에 어떻게 영향을 미쳤는지 설명했습니다.
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Schmitz는“두 가지 접근 방식 모두 독특한 것을 가져 오므로 손에 들어가야합니다. “만약 내가 [눈 소켓 크기] 분석 자체 만 해본 적이 있다면 실제로 의미가 부족할 것입니다. 눈이 더 커지지 만 왜 그런가?” 감각 모델링은 질적이 아니라 정량적으로 이런 종류의 질문에 대답 할 수 있습니다.
Schmitz는 화석 기록 (초기 사트라 포드뿐만 아니라 눈 크기의 증가를 찾을 수 있는지 확인하기 위해 화석 기록에서 다른 물 대 전환을 조사 할 계획입니다. "물과 땅 사이의 다른 전환을보고 물로 되돌아 가면이 가설을 잠재적으로 뒷받침 할 수있는 유사한 패턴이 보입니다." 예를 들어, 시력에 크게 의존하는 해양 파충류의 화석 기록은 물에서 땅으로 이동함에 따라 눈 소켓 크기의 증가에 대한 증거를 보여야합니다.
.새로운 사고 방식
신경 과학자로서의 Maciver의 배경은 필연적으로 그가 물로 전환하는 동안 테트라 포드의 행동과 인식에 어떤 영향을 미쳤는지 숙고하게되었습니다. 예를 들어, 물에서 살고 사냥하는 경우 제한된 시력 범위 (대략 한 번의 신체 길이)는 주로 Maciver가 "반응 모드"라는 용어로 작동한다는 것을 의미합니다. 몇 밀리 초 (뇌의 뉴런의 몇 사이클 시간에 해당)가 반응합니다. "모든 것이 정시 방식으로 당신에게오고 있습니다"라고 그는 말했습니다. "당신은 먹거나 먹을 수 있고, 그 결정을 빨리 더 잘할 것입니다."
.그러나 토지 기반 동물의 경우 더 멀리 볼 수 있다는 것은 상황을 평가하고 프레데터이든 먹이이든 상관없이 최상의 행동을 선택할 수있는 시간이 훨씬 더 많다는 것을 의미합니다. Maciver에 따르면, 최초의 육상 동물은 아마도 토지 기반 먹이를 반응적으로 사냥하기 시작했을 것입니다. 그러나 시간이 지남에 따라 반응 모드를 넘어서 전략적으로 더 큰 진화론 적 이점을 가질 수 있다고 생각할 수있는 사람들. Maciver는“이제 여러 미래를 고려하고 그들 사이에서 빠르게 결정해야합니다. "이것은 정신 시간 여행 또는 예비 인식이며, 우리 자신의인지 능력의 중요한 특징입니다."
.즉, 다른 감각은 또한보다 진보 된 인식의 발전에 중요한 역할을했습니다. Cornell University의 진화 신경 과학자 인 Barbara Finlay는“매우 흥미롭지 만, 계획 할 수있는 능력은 갑자기 비전만으로 일어났다 고 생각하지 않습니다. 예를 들어, 그녀는 연어가 상류를 이동하기 위해 후각 경로에 어떻게 의존하는지 지적했습니다.
허친슨은 비전 만 연구하기보다는 중요한 전환 기간 동안 많은 감각 변화가 어떻게 맞는 지 고려하는 것이 유용하다는 데 동의합니다. 예를 들어,“우리는 냄새와 맛이 원래 수생 환경에서 결합되어 분리 된 것을 알고 있습니다.”라고 그는 말했습니다. "청각은 적절한 외부 귀와 다른 특징의 진화로 수생에서 지상 환경으로 많이 바뀌 었습니다."
.이 작품은 인간인지의 미래 진화에 영향을 미칩니다. 아마도 언젠가 우리는 Maciver가 농담으로“인간의 어리 석음의 Paleoneurobiology”라고 부르는 것을 극복함으로써 다음 진화론 적 도약을 할 수있을 것입니다. 인간은 단기 위협의 결과를 파악할 수 있지만 기후 변화의 영향을 완화하는 것과 같은 장기 계획은 우리가 처리하기가 더 어렵습니다. "전략적 사고에 대한 우리의 한계 중 일부는 다른 환경이 계획 능력을 선호하는 방식으로 돌아 왔을 것"이라고 그는 말했다. "우리는 지질 시간 척도를 생각할 수 없습니다." 그는 화석 기록과의 이런 종류의 작업이 우리 자신의인지 사각 지대를 식별하는 데 도움이되기를 희망합니다. "우리가 그렇게 할 수 있다면, 우리는 그 사각 지대를 돌아 다니는 방법에 대해 생각할 수 있습니다."
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