我们在前文中提到，虽然目前科学研究发现，不具有神经系统的动物则不具有睡眠行为，且睡眠行为很可能对神经系统有非常重要的积极作用。

但大自然中还有大量生物并不具有神经系统，也并无睡眠行为，比如植物和各种真菌，它们也活得很好。动物为什么要发展出这么麻烦的一套系统呢？大量的时间浪费在了睡眠上，难道不会大大影响动物的生存和繁衍效率吗？

真菌和植物并没有神经系统，它们也在地球上生活得很好 （ 图片来源：pixabay）

经过长期而深入的研究，科学家们回溯了神经系统的演化过程，并得出了一个简单的结论：神经系统对动物来说是极为必要的，它是在漫长的演化过程中，由动物们“吃”出来的！它能极大提高动物的生存和捕食效率。

地球上的生物大约是在37-42亿年前演化出来的，最初出现的生物细胞里面没有细胞核，叫做原核生物（prokaryote），包括细菌（bacteria）和古菌（Archaea）。

它们既可以自养，也可以异养。自养就是自己合成有机物，包括化能自养生物（利用氧化还原反应产生的能量合成有机物）和光能自养生物（利用太阳光的能量合成有机物）；而异养就是利用别的生物合成的现成有机物。异养生物分泌消化液到身体外，将有机物分解成小分子，再加以吸收。

古菌是地球上的早期生物之一 （图片来源：Wikipedia）

原核生物，无论是细菌还是古菌都没有吞食能力，无法吞食别的细菌或古菌。这是因为它们的细胞膜无法快速变形，从而包裹食物颗粒将其吞入细胞内。

地球诞生以来，在地表各处存在大量的还原性物质（例如海洋中的亚铁离子），一旦地球上有氧气产生，氧气就会优先与这些物质反应，因此地球上的氧气含量一直很低。这种状况在大约22亿年前改变了。

生物光合作用的产氧量大增，氧气不光消耗掉了地表的还原性物质，还在大气中积累起来。一些细菌也适应了这种情况，利用空气中的氧气进行氧化还原反应，使细菌能够从食物的氧化中获得更多的能量。

这时，一个古菌，据推测是洛基古菌（Lokiarchaeota），偶然地（例如通过机械损伤）包进了一个叫做α-变形菌（α-proteobacteria）的细菌。这个细菌不仅在古菌细胞里面存活，而且还继续利用氧气氧化食物，为自己，也给包裹它的古菌提供能量。

这个α-变形菌也就逐渐变为古菌的一种细胞器（细胞内执行特殊功能的结构），即线粒体（mitochondria）。不仅如此，线粒体还能保持有原来变形菌的繁殖能力，在古菌细胞内分裂，产生数量众多的线粒体，给古菌以大量的能量。

真核生物演化的一种理论 （图片来源：《从星尘到文明：地球演化的32个里程碑》 经许可使用，请勿转载）

有了充裕的能量供应，古菌也就发生许多变化，其中一个变化是用膜将DNA包裹起来，形成细胞核，使DNA与细胞质分开，这也就是真核生物（Eukaryote）了，即细胞中有细胞核的生物。

古菌的另一个变化是发展出了新的蛋白质，包括肌动蛋白（actin）和肌球蛋白（myosin）。肌动蛋白能够聚为长链，而且有正端和负端。肌球蛋白则能利用ATP水解供能，在肌动蛋白长链上向正端行走。

这套系统非常重要，可以执行许多生理功能。动物运动所依赖的肌肉系统，就是由这套系统发展出来的，是动物能够“动”的基础。不仅如此，肌球蛋白也能够结合在细胞的各种结构上，沿着肌动蛋白丝在细胞内“运输货物”。如果肌球蛋白结合在细胞膜上，还能够带着细胞膜向肌动蛋白丝的正端行走，使细胞膜快速变形。

肌动蛋白会聚成长链，肌球蛋白则会在其上运动 （图片来源：https://pressbooks.ccconline.org/bio106/chapter/muscular-levels-of-organization/）

当一些真核生物遇到食物颗粒（例如细菌）时，肌动蛋白纤维就在与细菌接触的地方生长，正端朝向细菌周围，肌球蛋白带着细胞膜沿着肌动蛋白轨道行走，就可以逐渐将食物颗粒包围。

这时另一组蛋白（也是真核细胞特有的）让包围细菌的细胞膜彼此融合，食物颗粒就被“吞”进真核细胞内部了，而且还被原来包围它的细胞膜所包裹。原核生物没有肌动蛋白和肌球蛋白，也没有使细胞膜融合的蛋白，因此不可能进行这个过程。

变形虫变形和捕食过程 （视频来源：Omicrosis，根据知识共享署名使用）

这个功能意义极其重大，从此开启了一种生物“吃”另一种生物的先河。异养原核生物在身体外消化所形成的小分子营养物是“公共资源”，自己不能独占，别的生物也可以享用，而且容易流失（例如被水流带走）。如果先将别的生物吞下，再在自己的身体内消化，就可以占有被吞下生物的全部资源，是获得有机物更有效的方式。

真核生物是不会放过这个机会的，也发展出了在细胞内消化食物颗粒的机制，即向包裹有食物颗粒的小囊内分泌消化酶。

原核生物本来就有向细胞外分泌消化液的机制，向小囊内分泌消化酶的过程与向细胞外分泌消化液机制相同，因为小囊内部本来就是细胞外部原来的一部分空间。食物被消化后形成的小分子营养从小囊进入细胞质，类似于从细胞外吸收消化产物，但是在这种情况下，消化产物已经完全归自己所有了。

为了防止小囊万一破裂释放出消化酶对自己的有机物进行消化，真核细胞还使小囊内部变为酸性，消化酶也只在酸性环境中才能工作，这样即使小囊破裂，释放出来的消化酶也因为酸碱度改变，不再具有消化功能，也不能危害真核生物自己了。

这样的小囊就逐渐变成真核细胞在细胞内消化外来食物的细胞器，叫做溶酶体（lysosome）。溶酶体就相当于是细胞的“胃”。我们人类吃食时，也是先将食物吞入胃中，再向胃内分泌酸和消化液，再吸收消化产物。

溶酶体的一般结构 （ 图片来源：Allemailem K S, Almatroudi A, Alrumaihi F, et al. Novel approaches of dysregulating lysosome functions in cancer cells by specific drugs and its nanoformulations: a smart approach of modern therapeutics[J]. International journal of nanomedicine, 2021, 16: 5065.）

利用和发展“吃”功能的真核生物就发展成为动物，动物就是吃现成有机物的生物。不利用这个功能，仍然通过体外消化获得营养的真核生物，就是真菌（fungus，例如酵母、霉菌、蘑菇）。而通过光合作用自己制造有机物的真核生物就是植物（在广义上也包括藻类）。

最初的动物是单细胞的。现在也还有许多单细胞动物，例如变形虫、草履虫和领鞭毛虫。

变形虫是典型的通过改变细胞膜形状包裹食物颗粒加以吞食的例子。草履虫身体形状比较固定，但是有口沟可以吞进食物。领鞭毛虫（choanoflagellate）长有一根长长的鞭毛，它的摆动可以将细菌赶至鞭毛的基部，那里围绕鞭毛的还有一圈比较短的纤毛，叫做领毛，它们组成网，拦住细菌，再通过领毛基部的细胞膜将细菌吞食。从领鞭毛虫的基因分析，它就是现今所有多细胞动物的祖先。

显微镜下的领鞭毛虫 （ 图片来源：Wikipedia）

领鞭毛虫群体的游动 （视频来源：MyIndependentChannel，根据知识共享署名使用）

大约在6-7亿年前，多细胞动物产生了。至今存活的，最原始的多细胞动物就是海绵（sponge）。海绵身体类似花瓶，瓶壁上有孔，内壁就是一层和领鞭毛虫非常相似的细胞，叫领细胞。它们的鞭毛协同摆动，带着海水从瓶壁上的孔进入，再从上方的口流出。海水中的细菌被领毛阻拦，再被领细胞吞食。海绵其实是多个领鞭毛虫集体捕食，每个领细胞各自消化食物。

海绵是不移动身体的，属于“守株待兔”型。最早的疑似海绵的化石在非洲的纳米比亚发现，有7.6亿年的历史。更为确定的海绵化石在阿曼南部被发现，有6.35亿年的历史。在中国贵州发现的瓮安生物群中，也有海绵化石，时间大约在6亿年前。

在瓮安生物群中发现的疑似海绵的化石 （图片来源：Yin ZJ, Zhu MY, Davidson EH, Bottjer DJ, Zhao FC, Tafforeau P. Sponge grade body fossil with cellular resolution dating 60 Myr before the Cambrian. PNAS.）

丝盘虫（Trichoplax）是最简单的、自己能够移动捕食的多细胞动物。它的身体呈圆盘状，直径约1毫米，由上下两层细胞组成。丝盘虫通过腹面细胞的鞭毛摆动而在海底爬动。当遇到食物（贴于海底的藻类和细菌菌落）时，丝盘虫覆盖在食物颗粒上，与食物接触的地方凹进，部分将食物包围，分泌消化液将食物消化，再吸收消化产物。丝盘虫的进食方式已经是半体内（凹进的临时体腔）加细胞外消化。

显微镜下的丝盘虫 （图片来源：Wikipedia）

丝盘虫包围和消化食物的凹进结构如果凹得更深，身体就变为管，类似于现在的水螅（hydra）。

水螅的身体为管状，也由两层细胞组成。管的上端开口，成为口和肛门，下端附着在水底的物体上。口的周围有几根触须，也由两层细胞组成，但是比身体细一些。触须可以弯曲，将捕获的食物送入口中，再在体腔内进行消化。

从水螅起，动物的进食行为就是体内消化加细胞外消化，和单细胞动物的体内消化加细胞内消化不同。我们人类也进行体内消化和细胞外消化。食物在体内的胃中，被胃分泌的消化液所消化。

水螅的显微镜下照片 （图片来源：Wikipedia）

在5.6亿到5.5亿年前，即在寒武纪生物大爆发前，动物的种类增加了，例如在埃迪卡拉生物群（Ediacara biota，大约6.35-5.39亿年前）中两侧对称的动物狄更逊蠕虫（Dickinsonia）、约吉亚虫（Yorgia）、 金伯拉虫（Kimberella），三侧对称的三臂虫（Tribrachidium）, 四侧对称的四瓣虫（Conomedusites）, 五侧对称的五轮虫（Arkarua），和八侧对称的八臂仙母虫（Eoandromeda）等。这些动物的身体都是软体的，以海底的藻类或细菌为食。

埃迪卡拉生物群复原图，那时候的生物都是软趴趴的软体动物形象 ）图片来源：Wikipedia）

这些动物在5.5亿年前留下了大量化石样品，但是没有一个样品显现出有身体伤害的痕迹，例如愈合的伤口，或者被撕碎的身体碎片等。这说明在5.5亿年前或更早，这些动物还没有被别的动物攻击过，有可能当时的动物还没有发展出攻击并且吃掉别的动物的手段。

然而比起植物来，动物是更好的食物，因为动物之间身体的组成更为相似，没有植物中那些难以消化利用的成分。同样重量的食物，动物来源的利用率就比植物高，所以动物以别的动物为食是早晚的事。

大约从5.5亿年前开始，动物攻击动物的情形真的出现了：克劳德管虫（Cloudina）化石身上就有了明显的伤口痕迹。在这个时期，上面提到的那些软体的，无防卫的动物大多消失了，取代它们的是与现代动物更类似的物种。

尖刺和牙齿等攻击性结构，用于防御的钙化的外骨骼和身体表面各种形状的“盔甲”都开始出现，说明动物之间捕食与反捕食的斗争开始了。

克劳德管虫的复原图 （图片来源：Wikipedia）

克劳德管虫化石和它们身上的伤痕（图片来源：Wikipedia）

然而动物捕食动物是困难的。动物一般在动，要捕获动物，需要了解动物的位置以及运动的方向和速度，再根据这些情况做出相应的捕食动作。这就需要有信息感知系统，信息分析系统和反应系统。整个过程必须足够快，否则就不能成功地捕获猎物，而这个任务是过去的信息传递机制所不能完成的，必须发展出新的，快速传递信息的机制，这就是神经系统。

前面所说的那些多细胞动物，包括海绵，丝盘虫和埃迪卡拉生物群中的动物，都不以动物为食，它们也不需要神经系统。而以动物为食的动物就都发展出了神经系统。

一个好的例子是上面谈到过的水螅。水螅的食物之一是水蚤，一种甲壳亚门的动物，能够游泳。要捕获水蚤，需要感知水蚤的存在和位置，以及身体的协调活动，没有神经系统是做不到的，水螅也就成为现存的具有神经系统的最简单的多细胞动物。

水蚤的显微照片 （图片来源：Wikipedia）

因此，神经系统也大约是在动物开始吃动物的时期出现的。最早的神经系统存在的证据来自5.2亿年前的三叶虫（Tribolite）的复眼，它收集的视觉信号是需要神经系统来解读的。水螅为刺胞动物，而刺胞动物在大约5亿年前出现。因此神经系统出现的时间大约是在5亿年前。

动物之间捕食与反捕食的斗争一旦开始，神经系统也就不断演化。捕食者需要更敏锐的感觉，更快的动作，以及更为强大的捕食工具（刺，爪，牙等），被捕食者需要更快地发现捕猎者以及更快地逃跑。这种演化压力使得神经系统越来越复杂和高效。

作者：朱钦士