為何演化出如此多不同的眼睛？遊戲模擬提供解答
Why have so many different eyes evolved? Gamelike simulation could provide answers
17 DEC 2025 2:00 PM ETBYCATHLEEN O’GRADY
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蜘蛛的頭部周圍分布著多隻眼睛，而脊椎動物捕食者只有兩隻向前看的眼睛。螳螂蝦能看見比人類更多的顏色，而人類看見的顏色又比我們的狗多。為什麼會演化出如此多種不同類型的眼睛？一項新穎、類似遊戲的電腦模擬研究表明，眼睛在多代演化中，不同類型的眼睛可能是為了解決特定任務而出現的，而且更好的眼睛需要與更發達的大腦一起演化。
今天在《科學進展》期刊上描述的這項研究眼睛演化的新方法，被萊布尼茨演化與生物多樣性科學研究所的演化生物學家勞倫·桑默-魯尼稱為「超酷」，她未參與這項工作。舊有的視覺演化模型將視覺模擬為獨立於其他能力的感官，但新模擬更廣泛地探討了生物如何了解其世界，以及視覺在該過程中的作用，她說這「更接近生物學的真實運作方式」。
研究演化的人通常需要從結尾開始：他們可以觀察不同物種，試圖理解是什麼導致它們發展出特定特徵。但麻省理工學院博士生庫沙格拉·蒂瓦里和他的同事們想模擬起點，創建一個視覺環境，並觀察眼睛在多代適應過程中發展出何種視覺。
蒂瓦里說，該團隊使用模擬真實世界物理現象的軟體來構建該環境，類似於視頻遊戲。然後他們在世界中放置了數百個數位「代理人」——這些簡單的角色只有一隻能看見一個像素的眼睛，以及一個稱為神經網路的計算系統，代表能夠從環境中學習的基本大腦。研究人員隨後略微調整這些特徵，使每個代理人從不同的生物構成開始，以模擬現實世界中的基因多樣性。
這些代理人被賦予導航其環境的任務——要么在不撞牆的情況下穿過迷宮，要么在避免兩個紅色「毒藥」球體的同時找到綠色「食物」球體。通過重複任務，代理人可以從成功和失敗中學習。為了模擬自然選擇，最擅長任務的代理人將其特徵——如眼睛數量和視力清晰度——傳遞給新的「一代」代理人。模擬還引入了一些隨機變化到遺傳特徵中，以模擬自然發生的基因突變。
逐漸地，更複雜的視覺出現了。到第50代時，需要尋找食物並避免毒藥的代理人已演化出兩隻向前看的眼睛，具有相對高解析度的視力。作者指出，它們沒有太多的周邊視野，因為這對生存不太重要。另一方面，迷宮導航者則發展出類似於許多昆蟲複眼的結構，賦予它們優秀的空間感知能力，但看細節的能力有限。
在第二項研究中，研究人員調整了模擬，使他們的代理人有潛力演化出鏡頭，這些鏡頭通過讓大量光線進入並彎曲光線來創建清晰圖像，從而增強視力。他們發現這些結構在130代內出現，擁有這些結構的代理人更擅長找到「食物」球體。
在最後一項測試中，研究人員探討了更先進的神經網路——作為更大大腦的代理——是否能彌補弱視力，或者優秀視力是否能彌補較弱的大腦。他們發現，為了讓代理人在特定任務上表現得更好，眼睛和大腦都需要改進。這反映了自然界中的現象：具有更高解析度視力的動物也擁有更大的大腦。
桑默-魯尼表示，視覺針對特定任務的專門化以及更大的眼睛與更大的大腦共同演化這些發現，支持了視覺科學中長期持有的假設。她說，通過構建能在模擬世界中「看見」並從環境中學習的代理人，該模型是一個「強大工具」，將為研究演化開啟新可能性。她補充說，未來的模擬可以加入更多複雜性，例如個體代理人之間的競爭或不同視覺類型的「物種」之間的競爭。
薩塞克斯大學視覺神經科學家丹尼爾·奧索里奧指出，該模擬缺失了一個在現實演化中扮演重要角色的細節：眼睛和大腦的大小和複雜性受限於身體維持它們所需的能量。不過，他說，科學家可以使用這種模擬更好地理解為什麼某些類型的眼睛和大腦會出現。例如，他說，蜘蛛的四對眼睛通常專門用於支持導航或追蹤等功能。模擬可以幫助解釋不同物種的蜘蛛如何發展出不同的專門眼睛。
西北大學的計算機科學家艾瑪·亞歷山大（未參與這項工作）補充說，這篇論文是「我們對眼睛演化理解的一項重大更新」。它表明「你可以用現代計算工具以新的方式理解演化，這非常令人興奮」。