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绝大多数的证据都指出寒武纪大爆发之所以会出现，是因为当时环境发生了某些改变，让生物挣脱了体型大小的限制。绝大多数寒武纪动物的祖先们，可能都长得又小又软(缺少坚硬的组织)，这是它们没留下什么化石的主因。同样的原因也会阻碍眼睛的进化，因为立体视觉需要够大的镜头、延伸开来的视网膜，以及可以处理输入信息的大脑，只有够大的动物才能满足要求。生活在寒武纪之前的小型动物，或许已经具备了大部分的基础设施，比如裸露的视网膜，或简单的神经系统，但是小尺寸的身体注定会阻碍它们更进一步发展。几乎可以肯定，当时大气与海洋中氧气浓度的升高可以促成大型动物出现。只有在高氧气浓度的环境下，才可能有大型动物和猎食行为(因为没有其他的环境可以提供足够的能量，请参见第三章)，而大气中的氧气浓度，就在一系列被称为“雪球地球”的全球大冰期事件之后，也就是在即将进入寒武纪之前，迅速升高到和现在浓度一样。在这个充满氧气、令人振奋的新环境里，有史以来第一次大型动物可以靠猎食生存。
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到目前看起来一切都很好，然而，如果说在寒武纪之前并不存在完善的眼睛，那么原来的问题就再度出现，而且似乎更加棘手，那就是自然进化果真能让眼睛进化得如此之快吗？在5.44亿年前，世上一只眼睛也没有，紧接着400万年后马上就有了发展完整的眼睛。看起来，化石证据似乎并不利于达尔文理论的支持者，也就是无法证明眼睛曾有无数中间过渡形态，每个过渡品对于它的所有者都有好处。不过我们也可以用时间尺度的差异来解释这个问题。这个差异存在于我们所熟知的生命寿命时间尺度和漫长的地质时间尺度之间。当我们测量的尺度是数亿年时，任何发生在百万年以内的事情都像突变一般；但是对于活着的生物来说，这段时间仍然漫长单调。比如说现在我们家养的小狗，全都是由狼进化而来的，在人类的帮助之下，整个过程只用了百万年的百分之一。
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从地质时间尺度来看，寒武纪大爆发不过转瞬之间，也就是数百万年而已。但若从进化的角度来看，却是很长的时间。40万年的时间就足够让眼睛进化出来了。尼尔森和佩格尔提出眼睛进化过程模型时，也计算了进化所需要的时间(见图7.1)。他们的计算很保守，假设每一次对特定构造的改变都不超过1%，比如某次稍微改一点点眼球，下次稍微改一点点晶状体，诸如此类。当他们把所有的步骤加起来后，惊讶地发现竟然只需要40万次改变(和我随便乱猜的需要100万次也相去不远)就可以从一个裸露的视网膜发展出构造完整的眼睛。接着，他们假设每代只发生一个改变(这也是保守估计，其实每代可以同时发生好几种改变)。最后他们假设一个海洋生物平均一年繁殖一次。综合上述推测，他们得到的结论就是，要进化出一只眼睛所需的时间不到40万年。[4]
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如果上面的假设正确，那么眼睛的出现确实有可能引发寒武纪大爆发。如果这就是事实，那么眼睛的发明绝对是地球生命历史上最重要、最戏剧性的事件之一。
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尼尔森与佩格尔预测的进化过程中有一个比较麻烦的步骤，那就是制造晶状体。一旦有了原始晶状体，自然进化就可以轻易改造升级。然而，晶状体所需的各种成分一开始是怎么组合在一起的呢？如果构成晶状体的各个成分本来并无用处，自然进化难道不会在它们有机会组合起来以前就将其全部丢掉？这会不会正是鹦鹉螺从来不曾发展出晶状体的原因？尽管晶状体对它来说应该很有用处。
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其实，这不构成任何问题。尽管目前鹦鹉螺恐怕必须继续长着那对成因不明的怪异眼睛，而其他的物种却纷纷找到各自的出路(包括现存与鹦鹉螺最接近的亲戚：章鱼和乌贼)，其中有些方法非常有创意。虽然晶状体是特化程度很高的组织，但组成成分却出人意料的稀松平常。它的基本构成材料几乎唾手可得，只需要一点时间，东凑一点西拼一点，从矿物晶体到酶，甚至可以加入一点点细胞。[5]
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三叶虫算是投机主义的最佳范例。你真的会被它们的石头眼睛吓到，因为三叶虫的眼睛非常特别，是由一种矿物晶体，也就是方解石所组成。方解石是一种碳酸钙矿物。石灰石也是，不过石灰石是不纯的碳酸钙。白垩则是比较纯的碳酸钙。英国东南沿岸城市多佛附近的白色峭壁，几乎都是白垩，因为它们的结晶排列稍微有点不规则，使阳光往四处散射，因此让白垩土看起来呈现白色。而如果晶体成长很慢(通常在矿脉处就是如此)，方解石就会形成细致透明的结构，它会形成略倾斜的立方体，这就是冰洲石。冰洲石因其原子几何排列方式，获得了十分有趣的光学性质——除了某个特定角度的光线可以直直穿透晶体以外，其他任何一个角度射进来的光线都会产生偏斜。如果光线刚好就从这个特定角度射进来(这个方向轴称为c轴)，它会如同被红毯引导般从晶体中直直通过不受阻碍。三叶虫就将这种光学特性转为它眼睛的特点。它的众多小眼睛里，每一只小眼都有自己的方解石晶状体(见图7.2)，配合每个结晶独特的c轴，让每一个方解石晶状体接收到的光线正好打在位于下方的视网膜上。
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图7.2 小达尔曼虫(一种三叶虫)的结晶式晶状体。这是发现于捷克共和国波西米亚奥陶纪岩层中的化石，图中显示晶状体的内面，直径大约是0.5毫米。
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三叶虫到底如何长出这些方解石晶状体，并让所有晶状体面向对的方向，这一直是个谜，恐怕永远都是，因为最后一只三叶虫已死于2.5亿年前的二叠纪大灭绝事件中。但是尽管三叶虫被时光的洪流所谋杀，并不代表我们没有其他方法去探索眼睛的形成。2001年科学家从一个意料之外的地方得到了重要线索。看起来三叶虫的眼睛并不是独一无二的，现今仍存活的动物，如海蛇尾，也用方解石做晶状体。
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现今大约有2000种海蛇尾，每种都长着五只腕足，就像它们的海星亲戚一样。但是和海星不同的是，海蛇尾那五只细长华丽的腕足往下垂，如果往上拉的话就会断掉，这是它们英文名称的由来(海蛇尾的英文名就是易碎的星星，brittlestar)。所有海蛇尾的骨骼都由互锁在一起的方解石板组成，这也形成它们腕足上的刺，可以用来抓紧猎物。大部分的海蛇尾都对光不敏感，但是其中一种名叫文氏栉蛇尾的海蛇尾却让观察者十分困惑，因为它在猎食者接近时会先一步迅速躲入漆黑的岩缝中。问题是它没有眼睛，至少没有大家想的那种眼睛。后来一组来自贝尔实验室的研究人员，注意到在它的腕足上排着些方解石，看起来很像三叶虫的晶状体。后来他们证明这些方解石确实和晶状体一样，可以让阳光聚焦在下面的感光细胞上。[6]所以就算海蛇尾没有什么称得上是大脑的东西，但是它们却有眼睛。如同美国《国家地理》的报道所描述的：“大自然的古怪产物，海里的星星有眼睛。”
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虽然我们还不完全了解海蛇尾的眼睛是怎么长的，不过大体上和其他矿物化的生物结构一样，比如海胆的刺(也是由方解石组成)。整个过程始于细胞内部，首先高浓度的钙离子会和细胞内的蛋白质作用，然后固定住成为“晶种”，晶体就会开始在上面生长，过程像排队一样，一个人等在店外面，慢慢地就会排出一条人龙。一个人或一个蛋白质，一旦固定不动了，其他的单元就会凑过来。
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可以用简单的实验来证明，把负责结晶的蛋白质提取出来然后涂在一片纸上，再把纸放到高浓度的碳酸钙溶液中，纸上就会长出完美的晶体，形成冰洲石，每个结晶的光学c轴都朝上，就好像三叶虫的晶状体一样。我们也掌握了一些反应的线索。虽然不知道具体是哪一种蛋白质，这其实不是太重要，重要的是这个蛋白质要有许多酸性侧链。1992年，也就是发现海蛇尾晶状体的十年前，以色列的生物矿物学家里亚·阿达迪与斯蒂芬·维纳就曾用从软体动物壳中取出来的蛋白质，在纸上结出非常漂亮的方解石棱镜，而这些壳没有任何视觉能力。换句话说，尽管结果很神奇，但是其实只要把平常的蛋白质与平常的矿物质混在一起，整套过程就会自动发生。虽然神奇，但并不比天然洞穴，像墨西哥剑洞中发现的钟乳石更稀奇。
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不过尽管方解石眼睛可以产生锐利的视觉，但它终究是死路一条。三叶虫眼睛的重要性在于它的历史价值，因为这是第一只真正的眼睛，但却不是进化中最值得被纪念的眼睛。也有其他生物利用其他的天然晶体做各种用途，特别是鸟嘌呤(也是构成DNA的一个元素)，一样可以形成聚焦光线的结晶。鸟嘌呤晶体可以让鱼鳞产生银亮的七彩色泽，因此也被加在许多化妆品中。它也存在于鸟粪里(因而得名，也称其为鸟粪嘌呤)。类似的有机结晶可以作为生物性镜子，其中最为人熟知的就是猫眼中的“反光膜”了。它可以将阳光再次反射到后方的视网膜上，让视网膜有第二次机会多抓住一些微弱的光子，因而可以强化夜间视觉。还有其他的生物性镜子，也可以让影像在视网膜上聚焦。比如扇贝类漂亮众多的眼睛，会从壳边缘的触手间伸出偷窥，它们利用视网膜下方的凹面镜来聚焦。至于许多甲壳纲动物，包含虾、盲虾和龙虾的复眼，也是靠着反光镜来聚焦，这些眼睛用的也是鸟嘌呤形成的天然晶体。
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总体看来，进化的核心目标与最了不起的成就，应该是由特化蛋白质所组成的晶状体，类似我们的晶状体。这些晶状体也是投机取巧的组合吗？也是利用身体中在做其他事情的材料，随便拼凑出来的吗？虽然我们常说进化是一种带有历史学性质的科学，所以无法通过反复重现来证明，但有时候还是可以验证一些特定的预测。以晶状体进化为例，理论预测晶状体的组成蛋白质，是来自现存于身体里另有用途的蛋白质。这样预测基于一个理由，那就是特化的晶状体蛋白质，不可能在没有晶状体以前就开始进化。
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人类的晶状体当然是高度特化的组织，它透明，没有血管，细胞几乎失去了所有正常细胞该有的功能，取而代之的是把蛋白质浓缩成液晶阵列，以便可以弯曲阳光然后在视网膜上成像。还有，晶状体可以调整形状，以调整焦距。而且它的变形方式可以让阳光通过晶状体各处时弯曲的程度不一，这样可以避免产生球面像差之类的误差(球面像差是指通过透镜中心和边缘的光线聚焦在不同点上)。综合上述内容我们很容易猜想，能制造这种精密阵列的蛋白质，应该十分独特，因为光学特性绝不存在于那些随处可见的蛋白质身上。但如果我们真这样想，那可是大错特错。
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人类晶状体里的蛋白质叫作晶体蛋白，如此命名正是期望它具有独一无二的特质。这些蛋白质占据晶状体全部蛋白质的90%左右。因为不同物种之间的晶状体非常相似，不管从外观或功能上来说都是如此，所以很自然地假设它们都由类似的蛋白质组成。然而在20世纪80年代初期，比对蛋白质组成序列的技术变得成熟普及之后，结果出乎意料。科学家发现晶体蛋白并不是一种结构蛋白，而且大部分也非晶状体独有，它们在身体很多部位都有各自的职责。更让人吃惊的是，后来发现很多晶体蛋白其实是一种酶(生物催化剂)，在身体许多不同地方扮演着“管家”的角色(housekeeping，负责维持细胞生存)。比如说，在人类晶状体里面含量最多的晶体蛋白是α-晶体蛋白，它和果蝇体内的一种应激蛋白(细胞在受到生存压力时会工作的蛋白质)类似，现在则知道除了果蝇以外，很多动物体内也含有该蛋白。在人体里，它还是一种“分子伴侣”，用来保护其他蛋白质免受伤害。因此，它不只在眼中，还在脑、肝、肺、脾、皮肤和小肠里。
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直到现在，我们已经分辨出11种晶体蛋白，其中只有三种是所有脊椎动物眼睛共有的，其他的则不是，这表示它们是各自独立被“征召”到眼球里工作的，和我们的预测一致。我们无须在此细究这些蛋白质的名称与功能，但是不得不惊讶于这一群蛋白质，原本各有各的工作，却可以从各地强拉来去做毫不相干的活儿。就好像一支军队，只征召商人或其他社团成员组成一支常备部队。不管原因为何，这种现象虽然奇怪，但征召蛋白质来晶状体倒是没什么困难。
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所以晶状体的蛋白质毫无特殊之处，它们就是从身体其他地方拉出来做别的工作而已。既然所有的蛋白质都透明无色，那颜色就不成问题(只有带着色素的蛋白质如血红蛋白，才有颜色)。至于晶状体的光学性质，比如让通过的阳光弯曲成特定角度(折射)，可以通过改变蛋白质浓度来实现。这部分功能当然需要进化来微调，不过在原理上不是什么大问题。至于为何这么多晶状体蛋白都是酶，这有没有什么特别的用途。目前还不知道，但是自然一开始并没有什么灵感给晶状体设计完美的蛋白质。
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有一种海中的原始的无脊椎动物，在解答晶状体如何出现的问题上，给了我们一些线索。它的名字并不起眼：海鞘(准确说是指玻璃海鞘，学名是Ciona intestinalis，意思是一堆肠柱，林奈当初恐怕也想不到更好的名字了)。海鞘的成虫将它的身世藏得很好，它只剩下一个半透明袋子粘在岩石上，伸出两根浅黄色的虹吸管随波摇曳，水可以从这两根管子进出。它们在英国沿岸极为常见，数量多到仿佛害虫肆虐。不过它的幼虫却透露出许多祖先的秘密，让我们知道它比害虫要有价值多了。玻璃海鞘幼虫长得有点像蝌蚪，会到处游来游去，它们有简单的神经系统，还有一对原始而缺少晶状体的眼睛。一旦幼虫找到合适的场所，就会紧紧粘上去，接下来既然已经用不上脑子，脑子就会慢慢被吸收掉(英国进化学家史蒂夫·琼斯曾打趣说道，这项特技必定会让许多大学教授钦佩)。
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尽管成熟的海鞘看起来和我们一点关系也没有，但是它的幼虫却泄露了些许秘密：海鞘是原始的脊索动物，它有脊索，而脊索是脊椎的前身。该特征让海鞘一下子排到脊索动物最古老的分支之中，因此也早于所有的脊椎动物。事实上，脊椎动物在还没有进化出晶状体以前就和它分家了。或许海鞘那些简单的眼睛可以告诉我们脊椎动物的晶状体是怎么进化出来的。
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事实也是如此。2005年时，英国牛津大学的动物学家塞巴斯蒂安·施迈德和他的同事发现，海鞘就算没有晶状体，却仍有晶体蛋白。它的晶体蛋白不在眼中，而是藏在大脑里。我们不知道它在海鞘脑中的功能，不过这不重要。重要的是，控制脊椎动物晶状体发育的基因组，也会调控这个蛋白质的活性，而在海鞘体内，这组基因同时在脑中和眼中作用。所以，建造晶状体的整套设备，早在海鞘与脊椎动物分道扬镳之前，就已经出现在它们的共祖身上了。在脊椎动物身上，只要一个小小的改变，就可以让这个蛋白质从脑中转移到眼睛里。我们可以假设，其他的晶状体蛋白，大概也是通过类似占便宜的偷袭手段，从身体各处被征召到眼睛中。有一些是在共祖身上就被召唤来，其他的则较晚才发生。为什么海鞘并没有好好利用这种转变，我们并不清楚。或许是因为就算没有晶状体，岩石也不难找到。尽管如此，海鞘还是个怪胎。大部分的脊椎动物都成功地转移了蛋白质，而且至少发生了11次。所以整体看来，生成眼睛的一连串步骤里，没有哪一步特别困难。
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相较于各种动物眼睛晶状体多样的成分，比如蛋白质、晶体与矿物质，视网膜里的蛋白质显得十分特别。其中有一个特别的蛋白质负责感光，也就是视紫红质。还记得住在热泉口的裂谷盲虾吗？它有裸露在外的视网膜。尽管它生活在奇异的海底热泉世界，尽管它的视网膜诡异地长在背上，尽管它可以看到我们看不到的微光，尽管它依靠硫细菌而生存，然后流着蓝色的血液又没有骨骼，又尽管我们的共祖远在6亿年前，远早于寒武纪大爆发，尽管有这一切的尽管，这种盲虾还是和我们用一样的蛋白质来看东西。这种超越时间与空间的密切关联，究竟只是巧合，还是有更深层的含义呢？
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盲虾的蛋白质和我们的其实并不完全一样，但是它们长得如此相像，以至于如果有个法庭，而你想在法庭上说服法官，说你的蛋白质并不是抄来的，那很可能会败诉。事实上，你更有可能成为大家的笑柄，因为视紫红质也非盲虾和人类所独有，它普遍存在于整个动物界。举例来说，尽管我们对于三叶虫眼睛内部的作用机制知之甚少，因为它们除了方解石晶状体以外，几乎没有留下什么东西。不过基于对它们亲戚的充分了解，我们大致可以确定，三叶虫的眼睛里面应该有视紫红质。除了极少数例外，绝大多数的动物都依赖视紫红质。想说服前面那位法官，说你的视紫红质不是从别人身上抄来的，就如同宣称你的电视机和别人的本质上完全不同，而理由是你的电视比较大还有平面屏幕。
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有几种可能的假设可以解释如此惊人的一致性。比如它可能暗示所有人都从同一个共祖身上继承了同样的蛋白质。当然在过去6亿年间，这个蛋白质发生了许多小小的改变，但是很明显仍然是同一个。另一个解释则是，能探测光线的蛋白质，设计条件严苛，以至于大家最终都进化成同一个样子。这有点像用电视或者电脑看电视节目，一样是个箱子，但是内部技术不完全相同，不过最后大家都会有相同的解决方案。或者这个分子曾被许多物种传来传去，像强盗掠夺而不是继承来的。