侯宪达Atlas，设计师，影像技术，艺术家。 阅读原文 本着万物皆可设计的原则，又轮到我从设计上解释这个问题了。 （达尔文：我没说过） 太长不看版总结：因为传感器到处理器的平均总回路最短，导线使用最少，处理速度最快。 以下正文，首先，对这个问题进行破题： 为什么【哺乳动物】的负责{视觉，听觉，嗅觉}的【器官】主要长在{头部}。 i.首先来看，【哺乳动物】，哺乳动物的重大特征是： 脊椎动物亚门的一纲，通称兽类。多数哺乳动物是全身被毛、运动快速、恒温胎生、体内有膈的脊椎动物，是脊椎动物中躯体结构的动物类群，因能通过乳腺分泌乳汁来给幼体哺乳而得名。哺乳动物可分为原兽亚纲、真兽亚纲和后兽亚纲。哺乳动物分布于世界各地，营陆上、地下、水栖和空中飞翔等多种生活方式；营养方式有草食、肉食 2 种类型。 很好，首先，让我们把时光机开到大概 6-8 亿年前，腔肠动物在海洋里大行其道游来游去随波逐流的时候。那时候的腔肠动物，大多体型非常小，身体结构非常简单，对环境的“抗性”非常之弱，动不动就会因为环境变动（温度，含氧量，PH，只有你想不到，没有它死不了）而消亡。 但在这些动物中，有那么一些个体，因为天赋异凛，合成了毒素，可以杀死猎食者或者竞争者，这些动物现在我们还能看到，叫水母……，它们对抗环境的策略是：我要让我自己变有毒，这样你就不会吃掉我。 而另外一些天选之子，则有幸得到了更为发达的神经系统，能够将遍布全身的据有“感觉”功能的细胞产生的“信息”，进行处理，然后有针对性地去面对，这些哺乳动物地先祖，后来就慢慢进化出了“脊髓”，有了自己的“神经中枢”，也就是处理信息，给出反应控制的结构。最早的一类这样的脊索动物，叫做扁形动物。 虽然这些小虫虫的运动能力相比现在的正儿八经的脊椎动物可谓是蚍蜉撼树，但在当时的海洋里，所有的竞争对手大多是一团 / 一坨 / 一把的环境中，拥有对称身体和神经中枢的扁形动物，已经能够拔得头筹，在食物链中爬的更高一点。 细心的同学已经发现一个盲点：老师，为什么这些动物，有的是对称的（实际上是“左右对称”，上下分面），有的是不对称的（实际上是中心对称或者全对称）呢？ 好的师傅，倒一下车，我们再回去几亿年。 在更早些时候的海洋，原生的动物们面临了这么一个情况： 往上（去往海面 / 天空）和往下（去往海底）的环境是不同的，如果身体没有“方向感”，去了不该去的地方，要么容易找不到吃的，要么容易被当成吃的，总而言之很容易嗝屁。 无对称动物（团），中心对称动物和轴（左右）对称动物 所以再次反顾上文所说的“产生脊髓”的那个部分，其实“产生脊髓”和“身体变成对称”，是一个同步的过程，都是让个体拥有对于环境更好的抗性，更加适于生存。 所以，总结了一下，这里有两点对于本题有关： 1.哺乳动物的先祖，进化出了脊索（后来的脊椎）结构； 2.哺乳动物的先祖，进化出了对称的身体。 ii. 然后是，{视觉，听觉，触觉}的【器官】 这里分两类考虑，第一种在这里我们定义为“高级感官”，也就是我们现在叫做“视觉，听觉，味觉，和嗅觉”的这些远程，非接触式，的“非本体感官”，和“触觉，痛觉，热觉”等需要接触身体本身的“本体感觉”来分开讨论。 首先，我们来讨论本体感觉。 师傅，停一下，我就到这儿，对对对八亿年就可以了。 你看到了一个（团）动物在那儿漂着，然后你伸手戳了戳它。 老师你这都传的什么图 此时有两种可能，一种是，这团东西有“感觉”，也就是触觉，它准确感知到了你的动作，然后吐了一口水漂走 / 吐了有毒的东西逼你放开它 / 直接断掉身体一部分丢车保帅（注意，此时的原生动物不一定真的有这些功能，只是举例说明），那说明这动物是“聪明”的，对于环境刺激有了一定的反馈，那么，在面对环境中“不利”的因素时候，就能够趋利避害，活下来并且把基因传给后代。那简单可得，由于这种“对环境刺激的反馈”的“保护”，对于整个身体的所有部分，都是必要的，所以，触觉，痛觉，热觉等“本体感觉”，就需要平均分布在身体表面，当然，重点部位的密度会稍稍高一点。 人类的皮下触觉感受器和对应的压敏电阻结构示意图 这种普遍而简单有效的反馈方式，也被人类沿用到了现代的传感器设计，可以看出来，现在的压敏传感器，依旧沿袭了“皮肤”这一设定，在生物（机器人）表面“平铺”开来，因为这样的效率最高。 那么接下来，就是视觉听觉味觉嗅觉等“非本体感觉”了。 各种“过敏原”入侵皮肤的示意图 在生存过程中，如果能够在“探测环境”这件事情上先人一步，那一定可以更加“吃得开”。 这时候，有一些“远程检测手段”，出现在了某些骨骼清奇的个体身上。 来，我们邀请下一位选手文昌鱼到舞台上来。 这种肉质鲜美，营养丰富（划掉），结构简单，基因组只有现代动物五分之一的可爱鱼类，已经在海洋里生存了几亿年（而且几乎没变）。 这种动物的特征是，虽然它没有一个成型的，符合我们现代对于动物认知的“头部”，但是它已经明显分化出了脊髓的结构，而且在身体的前端一侧，拥有一些能够最低程度感受光照强度的感光细胞。 文昌鱼（类）的结构 特别有趣的一点是，现代的哺乳动物早期胚胎分化时期，也会有一个时段，胚胎的结构与文昌鱼高度相似。 而这些早期的感光色素细胞，在生物个体的生存过程中，和整个物种的进化过程中，都发挥了至关重要的功能，从那以后，这些已经配备了初步的光学传感器的脊椎动物，就开始把进化技能点一股脑儿地点向了更优化数据接收和处理的分支上面。 一般认为的眼球进化的过程 同理，对于“声音”（声波，听觉）和“气味”（小物质颗粒，嗅觉和味觉）的感知能力，也是如此般过程进化而来。 如图，现代脊髓动物的“听骨”的演化 口器（嘴）的进化 所以，我们讲清楚了这些“远程传感器”是怎么来的，接下来就要解释另一个问题了： 有了这些牛 *** 的传感器之后，我们要怎么样把这些东西，和你（哺乳动物）刚刚进化成的高级的大脑连接在一起。 Lego Mindstorm 套件 不好意思放错图了，我再来一次。 人类的从感觉器官到神经中枢的链接过程 当然我们现在看这样复杂的系统可能有点头疼，我们这次就不麻烦时光机驾驶员师傅了，我们来看几个结构简单一点的动物。 一些简单动物的神经系统结构 这就容易看多了，总之，神经系统接下来要干的事情就只有一件： 把这些传感器，给我接到神经中枢（大脑 / 脊髓）上去。 那这里就又有一个问题了，老师，我用什么去连接呢，聚乙二醇么？ 你再说一遍？ 不是的，是最简单的结构，突触。 这里我们就不重新讲突触的进化过程了，我们直接跳到突触的原理。 一个典型的神经系统中多个神经细胞的信息传递过程 可以看到，在这个结构中，一个神经细胞，到下一个神经细胞，利用轴突和树突的链接，把前端产生的神经冲动传递至下一个。 神经递质的传递过程 放大一点看，在轴突和树突的连接点，在这儿发生了一个过程，前端的轴突把神经递质释放到连接处，然后被后端的树突上的结合位点吸收，转运到神经细胞内，然后依此类推往下继续传。 是不是看起来没什么问题？ 但是，这是化学反应啊！化学反应，代表这玩意儿一定有一个比较长的反应速度，外加一个不太小的反应阈值。 神经中电位的传递，以钠离子为例 这两者加在一起得出了两个严重的 bug： 1.神经很贵，需要消耗很多能量而且维护成本相当高； 2.神经反应速度没有那么快，不能太长。 好的，可能说到这里我们还没有什么比较直观的概念，我们来到早期生物的竞技场里面去看一看两种不同生物的 PK 过程。 可以用孢子（SPORE）捏一个 假设我们现在有两种动物，一种是“正常”的动物，眼睛就在头部的两侧，靠近大脑，一种是触手怪（大脑在底端，眼睛在触手终端）进行 PK。为了公平公正，两种动物体型修改为相同，去除所有的魔法和抗性（毒液，暗器，可以离开身体的攻击方式等等。我们来看看他们在角斗场上的成绩吧。 下面有请一号选手： 姓名：布偶猫， 战斗力：5 防御力：3 神经回路长度：0.02m（估算） 反应速度：25ms 下面是二号选手： 姓名：巨型蜗牛 战斗力：5 防御力：12（铠甲），2（裸露部分） 神经回路长度：0.4m（估算） 反应速度：500ms 第一回合，布偶猫拱起了身子，绕着蜗牛到处转，试图分析出对方的攻击方式和防御特点，期间，它灵巧的四肢轻轻地踩在竞技场的地板上，避免产生振动让对方感觉到。 蜗牛：你 - 在 - 哪 - 里 - 哦 - 啊 - 在 - 这 - 里 - 啊 - 布偶猫伸出爪子拍了一下蜗牛的外壳，发现和自己的指甲硬度相当，可能没法轻易穿透，所以一个箭步撤了回来，试图绕道背后去寻找新的切入点。 蜗牛：啊 - 你 - 怎 - 么 - 不 - 在 - 这 - 里 - 了 - 你 - 猫 - 呢 - 啊 - 谁 - 布偶猫又伸出了爪子，用力拍了一下蜗牛柔软的身体部分，发现这次爪子可以穿透充满液体的软组织了。 蜗牛：在 - 打 - 我 - 啊 - 疼 布偶猫一个飞冲冲到了蜗牛侧面，张开嘴，一口咬住了蜗牛的脖子，尖锐的牙齿穿透了蜗牛的皮肤。 蜗牛：啊 - 谁 -（卒） 就好比在打团的时候，对方看你是慢动作，但你看对方就像有了残影一样，这种神经延迟带来的弊端，会远远超过任何可能的“视野更广”，“视角更高”带来的一点点“优势”。 蜗牛的内结构 如图，在蜗牛的结构中，眼由一根可以收缩的触角托举着远离了脑神经，这样的设计，一方面可以让蜗牛拥有更“高”的视角，另一方面，在受到威胁的时候，可以快速收缩回身体防止眼部收缩。但是带来的弊端也是显而易见的：信息的传递速度和反应速度实在是太慢了。在刚刚的例子中已经明确展示了和猫科动物的巨大差别，而现实生活中的蜗牛，除了可以欺负欺负植物外，只有垫在食物链的最底端（消费者部分）的份。 而我们来看一下猫的神经中枢。 Copyright © Lifelearn 侵删 再来看看猫的大脑结构，眼球直接通过粗壮的视神经和大脑相连，信息读取 / 处理的耗时都压缩到了最少。在这样的设计基础上，猫科动物成功走到了食物链的上游，以超快的反应速度成为了这个星球上最优秀的猎手之一。 兔狲：不是我说，你们战斗力还没有 5 综上，解释了为什么这些“远程传感器”，都会安装在距离神经中枢最近的地方。 iii.为什么有“头部”这个东西。 那么就到了最后一个问题了，为什么我们会有一个“概念”：哺乳动物的眼睛鼻子耳朵都在“头”部，这个头，到底是怎么来的。 所以我们又麻烦一下时光机师傅去一下七亿年前的海洋。 早期海洋动物的身体结构（部分） 根据已有信息我们易得，这样一个通过【捕食其他动物 / 植物】后，【转化为自身能量 / 部分】的这么一个个体，我们称之为“动物”。 那么，对于“捕食”这个动作，负责该动作的部分，如果长在身体的某一侧的“最前面”，那就是最好不过了。 久而久之，那些把“捕食开口”，放在前进方向前部的动物，因为在行进中捕食了更多的食物，茁壮成长，把基因传递了下去。后来，我们就把“最前部”，叫成了“头部”。 什么？你说脑子？为什么头部里面有脑子？ 那好我们再来一次，假设有那么一种“动物”，就是要不按常理出牌，我把捕食的地方放在前面，我的神经中枢放在后面远离“前部”，我让我自己的“头部”和“脑”分开。 a.这个动物没有高级传感器，凭缘分吃东西，所以竞争力下降，嗝屁； b.这个动物有高级传感器，且把捕食器官和高级传感器都放在了远离大脑的同一侧，同之前蜗牛理，传感器延迟过高，动作迟缓，竞争力下降； c.这个动物有高级传感器，且把高级传感器放在了接近大脑的同侧，好的，恭喜你，你重新获得了一颗“头”和“脑”在一起的动物。 把传感器和处理中心（大脑）都放在身体的一侧（头部）还有一个好处：能够获得最好的传感器增益（也就是“效果”）。 罕见的早期被捕食者捕食捕食者的照片 以视觉为例： 不同食物链位置上的动物眼睛的特征 为了生存的“效益”最大化，动物们都得采取在进化中的最优设定。总结一下就是，我如何 i.更好地发现食物并且吃掉它；和 ii.我如何发现会吃我的防止自己变成食物。 所以在漫长的进化中，捕食者的眼睛逐渐移至面部前侧，双眼的视野基本重合，能够提供更好的视觉精度，定位，和双目立体视觉。 猫头鹰的眼睛长在面部朝前的方向。 而被捕食者（一般是吃草或者吃更低级的虫子的动物），则采取了另一种策略：我要有更宽广的无死角的视野，让我自己能够随时发现偷偷靠近的捕食者。 马的眼睛在面部的两侧，能够提供更广的视野 由于我们的传感器数目有限，捕食者和被捕食者采取了不同的策略去适配自己的位置。 双目角度对于视野的影响 如图所示：双目分侧时，视野更好，双目朝前时，精确视野更广。捕食者和被捕食者在这点上向着不同的方向进化了。 所以，综合以上三个部分的内容，可以简单总结一下，为什么大多数哺乳动物的视听嗅觉器官，会长在头部。 1.因为有脊髓 - 大脑的高级神经系统，身体一般对称； 2.高级传感器贴近大脑，信号延迟少效果好有利于生存； 3.整个“头部”和“大脑”一体且在身体一侧有利于生存。 以上。 阅读原文
