为什么有些器官成对出现,有些却只有一个?

为什么有些器官成对出现,有些却只有一个:答案藏在身体对称性、扭转方式以及不同器官各自承担的功能里。

直接答案

器官成对,多半是身体由左右两个镜像半边构成这一基本布局的副产品;而失去其中一个,则发生在身体扭转、折叠,或以某种方式特化、使得单个器官更管用的时候。所以成对本身并不是目标:它反映的是动物身体如何排布,以及每个器官需要完成什么任务。在脊椎动物中,成对的四肢和鳍是一项重大的演化创新,不过它们最初究竟如何出现,至今仍有争论[2][5]。

5篇文献引用

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成对,源于身体由左右镜像两侧构成

许多动物沿左右轴排布身体,因此在两侧形成的结构往往成对出现。在脊椎动物中,让动物得以游泳、行走并开拓新栖息地的成对鳍和四肢就是经典例子,它们由身体两侧特定的一层胚胎组织发育而来[2][5]。对七鳃鳗(一种无颌鱼)的研究发现,这层组织——体壁中胚层——在成对附肢出现之前就已经存在,提示成对的“原材料”先有了,附肢是后来才由它搭建起来的[5]。

遗传层面的历史还要更久远。一类名为Paired类同源盒基因的发育基因,在动物发育早期帮助设定身体格局,有着很深的演化根源[4]。这并不意味着存在某个单独的“成对基因”让一切都变成两份;它意味着,构建有格局、左右两侧身体的机制非常古老,而器官可以在这个框架内被复制,也可以被单独保留下来。

扭转和卷曲能把一对变成一个器官

成对也可以丢失。在蜗牛及其近亲中,身体在发育过程中发生扭转(这一过程称为扭转),壳也不对称地卷曲,而这种重新排布与原本成对的器官减少或丢失有关,包括鳃以及外套腔中的其他结构[1]。换句话说,同一种动物可以一开始某样东西有两个,最终实际上只剩一个,不是因为另一个没用,而是因为身体的几何形态把它挤掉了。

在所提供的这些研究中,这是说明“为什么有些成对、有些只有一个”并非固定规则的最清楚证据。器官的数量是整个身体布局的结果,而布局一变,器官数量也随之改变。

有些成对器官是为了非常特定的任务

并非每一对都是又大又显眼的器官。昆虫有小型辅助搏动器官,本质上是辅助泵,帮助把液体输送到主心脏难以充分到达的身体部位,而且这类结构在演化中多次独立出现,设计却惊人地相似[3]。它们成对出现也符合同样的逻辑:它们是安置在需要之处的局部解决方案,分布在身体两侧。

更广泛地说,成对是一种布局选择,而不是重要性的标志。一对微小的泵和一对四肢都反映了身体哪里需要功能,而当一个集中化的结构能把活儿干得更好时,单个器官就出现了。

成对四肢最初如何出现,仍是未解之谜

成对附肢的起源已经争论了150多年,包括侧褶说和鳃弓说在内的主流观点,都还没有被决定性的证据所定论[2]。七鳃鳗的研究支持了这样一种看法:成对附肢所需的组织在附肢本身出现之前就已存在,但它并没有解释为什么有些器官始终保持单个[5]。

所以,诚实的答案有两部分:大的格局——成对来自左右两侧的身体布局,而当身体扭转或特化时成对就会丢失——有充分支持;而每种成对结构具体如何一步步起源,仍在研究之中。

本文引用的文献

1

盾鳃目腹足类的外套器官及其在整个软体动物中的演化

腹足类的不对称壳卷曲和扭转,与原本成对的外套器官和栉鳃的减少或丢失有关。

2

脊椎动物演化与个体发育中的成对鳍

成对的鳍和四肢是脊椎动物的关键适应特征,但关于其起源的主流理论在150多年的争论后仍无定论。

3

辅助搏动器官:昆虫的演化创新

昆虫多次演化出小型成对的辅助搏动器官,即辅助循环泵,且设计几乎相同。

4

同源盒基因的演化:Q50 Paired样基因奠定了Paired类的基础

Paired类同源盒基因有着深远的演化根源,并在动物身体格局形成的早期发育中发挥作用。

5

七鳃鳗体壁的组织结构为脊椎动物成对附肢的演化提供线索

七鳃鳗胚胎具有体壁中胚层,即发育为成对附肢骨骼的组织,表明这种组织在成对附肢出现之前就已演化出来。