有八个独立的柔性板石鳖是由一层被称为腰带的肌肉连接在一起的贝壳,看起来有点像盔甲般的鹅卵石,随时准备战斗。海洋软体动物实际上并不适合行动。它们大部分时间都被困在原地,被潮间带的岩石所吸引。当它们粘在水面上的时候,它们的radula,一种长着几十颗锋利“牙齿”的舌头,会从水面上刮下藻类和其他食物。对于石鳖来说,这是最令人兴奋的了。

它们可能看起来简单,不复杂,甚至无聊,但牛津大学自然历史博物馆的进化生物学家劳伦·萨姆纳-鲁尼认为这种名声有点不公平。“即使是我们认为非常非常简单的事情,”她说,“也可能会有更多的事情发生。”

萨姆纳-鲁尼是弱者的根基。例如,她对……着迷阿斯蒂阿纳克斯mexicanus,一种穴居的四目鱼没有眼睛进化而来还有洞穴蝾螈,它们幽灵般的苍白和细长的四肢适应了黑暗的生活。她的工作主要集中在人们知之甚少的动物的大脑结构上,比如石鳖或象牙壳,它们使用一种叫做甲壳的触手状器官来帮助收集食物。

在科学的环境中长大,她的祖父母都是化学家,她的母亲通过跟踪鸡的颜色来教她基因遗传的基本概念,萨姆纳-鲁尼无法决定她想成为一名宇航员还是一名生物学家。她对奇怪和陌生的东西情有独钟,但最后,海底二万里战胜了2001:太空漫游。萨姆纳-鲁尼开始了他的职业生涯,试图了解动物如何感知它们的世界——对大多数人来说,这个世界就像一个遥远的星球一样陌生。

在一篇新论文中网上发表于形态学杂志, Sumner-Rooney和来自北爱尔兰女王大学海洋实验室的合著者Julia Sigwart认为,石鳖没有得到应有的回报。

石鳖没有任何我们通常认为是头部的东西,而且长期以来人们一直认为它们也没有大脑,而是有一个基本的阶梯状神经网络。Sumner-Rooney和Sigwart在他们的论文中认为,石斛并不是真的没有大脑,而是有一个超出我们期望和理解的大脑。

里面发生了什么事?
里面发生了什么事?Beatrice Murch/CC by 2.0

当人类想到大脑时,也许我们会想到我们自己——两个半球,被线圈弄得头晕目眩,一个粉米色的头盔紧紧地嵌在头骨里。但许多其他生物的大脑并不只是我们的缩小版。

在不同的物种中,大脑的形态差异是巨大的,如此之多,以至于在2010年,Universität Rostock的生物学家Stefan Richter和一群同事开始编纂一个共同的词汇来准确地描述大脑是什么和不是什么。他们列出了“大脑”的工作定义,以及其他46个用于描述无脊椎动物神经系统部分的术语杂志上的神经解剖学词汇动物学前沿

他们将大脑定义为一个特殊的、独特的神经元簇——确切地说,是“最突出的神经元前侧凝结”。萨姆纳-鲁尼在她的工作中依赖于这一定义,但她承认,正如里希特及其同事所指出的那样,这把伞把一些物种排除在雨中,包括一些通常被认为能够完成复杂任务的物种。

具有放射状对称的动物,如水母和海胆,没有前部或后部,所以没有地方放置神经元的“前部凝结”。但不知何故,它们仍然设法协调肌肉运动,处理来自全身的感觉信息。萨姆纳-鲁尼说:“对于非常经典的定义来说,它们构成了相当大的问题,但它们显然非常有能力完成我们通常认为是大脑的复杂任务。”她补充说,这样的大脑“不太符合我们头脑中的形象。”

在石鳖的例子中,有一个密集的神经组织集中在所谓的食管周围神经环中,这是一根围绕食道顶部的扁平索。萨姆纳-鲁尼认为,如果石鳖确实有大脑,那么神经环可能就是找到大脑的地方。

旧的显微镜载玻片为研究人员提供了对石鳖大脑的新见解。
旧的显微镜载玻片为研究人员提供了对石鳖大脑的新见解。劳伦·萨姆纳-鲁尼和柏林自然昆德博物馆

萨姆纳-鲁尼是跳蚤市场的侦察员她很兴奋地拿到了来自柏林自然历史博物馆的近3700张石乌龟组织切片的幻灯片,这些切片是由研究人员约翰内斯·蒂勒在19世纪末和20世纪初制作的。首先,它们很漂亮。每个标本都被染成亮粉色,每张幻灯片都用漂亮的手写体打上了标签。这些幻灯片涵盖了一系列石鳖物种,所以她认为它们可以让她看到不同种类的神经解剖学。(他们还查阅了一些较新的材料,以解释蒂勒的藏品中缺失的东西。)然后,当她和她的团队将幻灯片数字化时,他们开始根据里希特对大脑的定义检查神经环。

一个多世纪以前,至少有一位研究人员曾暗示,这个环可能被分成与主要神经索相对应的部分。萨姆纳-鲁尼说,即使在那时,这一观察结果也被深埋在脚注中,在此后的几十年里,它滑落到她所谓的“休眠知识”中。除了极少数论文外,它一直被忽视,因为研究人员专注于头足类和腹足类动物。大多数关于石鳖的科学文献仍然将它们的大脑描述为简单的“阶梯状”结构。萨姆纳-鲁尼说:“我认为这主要是因为石鳖没有像腹足类、双壳类和象牙壳等其他软体动物那样的神经节肿大。”她补充说,由于神经索的宽度相当一致,因此有一种假设认为,没有特定的区域是专门的或先进的。

在19世纪后期,研究人员首次确定了石鳖神经环的部分。
在19世纪后期,研究人员首次确定了石鳖神经环的部分。劳伦·萨姆纳-鲁尼提供

许多关于石鳖的最深入的解剖研究可以追溯到几十年前,最近关于整个神经系统结构的研究包括一些不太容易获得的研究——比如30年前用德语发表的一篇论文。最近,萨姆纳-鲁尼说,像3d成像这样的现代技术“终于开始打开我们观察这些动物的能力,并重新评估我们对它们确实拥有的神经系统的看法,”她说。

当萨姆纳-鲁尼和西格沃特使用这些策略时,他们发现神经环并不像看起来那么简单。它被划分成明确的部分,这些部分与其他种类的软体动物的结构有关。作者写道:“这代表了比现有文献所反映的更高层次的神经结构。”“与之前所有的描述相反,”他们总结道,“石鳖前神经环的大小和结构毫无疑问地使它成为一个真正的大脑。”

《新西兰软体动物手册》中的一幅插图,摄于1913 - 1915年。
《新西兰软体动物手册》中的一幅插图,摄于1913 - 1915年。生物多样性遗产图书馆/CC 2.0

当萨姆纳-鲁尼告诉博物馆的参观者关于软体动物的大脑,事情很快升级为崇高的哲学问题。“你会立刻联想到,‘好吧,如果它有大脑,它有感觉吗?它知道自己是活着的吗?’”她说。她发现,人们通常很难“将大脑的概念与情感、感觉和自我意识的概念区分开来”。

但她并不是在研究意识,不管石鳖在多大程度上能够“思考”它们周围搅动的水流。相反,她感兴趣的是所有这些神经元在做什么,它们有什么能力,以及为什么。例如,某些种类的石鳖有归巢习性;它们可以四处游荡寻找食物,然后找到回家的路。神经环有助于实现这一点吗?也许神经环在支持成百上千的眼睛,或单眼许多物种的贝壳上都有这种斑点。有证据表明,它们能感知到从头顶掠过的阴影,而石鳖能感知到阴影时就会压在岩石上。这是一种信息的整合,还是一种由反射驱动的反应——就像人类把手从火焰上抽开一样?

为了了解更多,研究人员必须更深入地研究结构和行为。萨姆纳-鲁尼希望两者都能做到。其他的方法包括电生理学——直接从神经上进行测量——切断神经环的一部分,或者将染料插入活的或刚死的样本中以追溯连接。“神经系统的一个美妙之处在于,它们的工作方式与电路类似,”萨姆纳-鲁尼说。“你应该能够用逻辑把它们解开。”

同时,这项工作提醒我们,如果我们想要了解另一个物种,我们必须使用自己的大脑,这意味着要小心陷阱,比如只看到我们正在寻找的东西。作者写道:“从历史上看,石鳖解剖学的解释可能受到循环逻辑的阻碍。”“如果我们假设石鳖是原始的,那么我们就会认为它们的神经系统是原始的,而神经系统被视为这种简单性的‘证明’,”他们补充说。相反,我们可以在扩展思维定义的同时扩展自己的思维。