在我们的进化祖先拥有大脑之前（在他们拥有任何器官之前），18 种不同的细胞类型聚集在一起形成了海绵。值得注意的是，其中一些细胞具有制造大脑所需的许多基因，尽管海绵既没有神经元也没有大脑。

在我位于加州大学圣塔芭芭拉分校的神经科学实验室中，我的同事和合作者在海绵中发现了这个巨大的大脑基因库。从那时起，我们就问自己，为什么这种古老的、多孔的细胞团在没有神经系统的情况下会包含一组神经基因？进化的目的是什么？

大约六亿年前，海绵首次出现在化石记录中。它们生活在海底，是不动的、被动的捕食者。事实上，早期生物学家认为它们是植物。一排细胞通常被坚硬的外部包围，与水状的中心接壤。每个细胞都有一个微小的纤毛，可以温和地循环它们赖以生存的丰富微生物流。

这个看似简单的组织背后隐藏着进化的巨大一步。在过去的 30 亿年里，单细胞生物居住在地球上。在进化中最具创造性的行为之一中，独立的细胞结合在一起，首先形成一个群体，后来形成一个真正不可分割的多细胞生物体。

为什么这个多孔的细胞团含有神经基因？进化的目的是什么？

单细胞集落首次表明，并非集落中的每个细胞都必须相同。内部的细胞可能与外围的细胞有微妙的不同，这些细胞会受到环境的影响。集落提供了许多几乎相同的细胞之间合作的优势。

下一个进化创新——多细胞性——彻底打破了过去。随着多细胞性的出现，细胞变得高度特化。为了有机体的更大利益，他们放弃了自己的个人身份和独立性。这一创新是生命史上最伟大的利他行为之一。

尽管这些细胞现在不再能够单独生存，但有机体是通过不同细胞类型的集体功能而获得的。随着生物体添加专门的细胞，称为器官的集成模块赋予了新的功能和能力。

器官内的特化细胞比神经系统更加多样化。动物神经系统的进化对于生命王国的巨大成功至关重要。但这并不是一下子发生的。当古代生物跨越早已消失的从单细胞生物到动物的界限时，复杂的神经系统出现了。

动物的早期进化充满谜团，而神经系统的起源正是迷宫的核心。所有动物的共同祖先（至今已无任何踪迹）诞生了两个被称为姐妹群的谱系。最近的姐妹是海绵。栉水母的姐姐是栉水母，大小只有几毫米或大至五英尺，由果冻状的身体组成，上面和下面都有一层细胞，形成一个空腔。

编码神经系统需要数千个基因，每个基因都包含数千个核苷酸，即 DNA 代码的字母。获得这个巨大的指令遗传库，同时保持每一步的生存能力是一项艰巨的任务。经过 30 亿年的单细胞生物适应了早期地球不断变化的气候，第一批动物开始在海底的黑暗翻滚中闪烁，在它们诞生的那个高度竞争的世界中，很难被认为是一种创新。 。

从海绵进化出了整个动物王国，包括我们。栉水母虽然今天仍然存在，但却是一个进化的死胡同，没有进化出新物种的潜力。奇怪的是，栉水母有神经系统，但海绵却没有，尽管它拥有许多制造神经系统所需的基因。

这段历史浮现出许多问题。海绵和栉水母的共同祖先是否已经拥有海绵中丢失的神经系统？或者神经系统是否被发明了两次，一次是在栉水母中，另一次是在海绵的进化后代中？

深入观察突触可以提供一些线索。突触是神经系统最显着的特征之一。这种复杂的结构用于两个神经元或一个神经元与另一个目标细胞（如肌肉）之间的通信。它有两部分，一部分发送消息，另一部分接收消息。发送到接收单元的消息被集成在一个复杂的网络中，旨在做出单一决定——是否火灾。这些指令被封装在发送单元释放的化学物质中，并由接收单元读取。

从工程角度来看，这种设计毫无意义。如果您想将一件事连接到另一件事，可以直接将它们连接在一起。神经元及其突触中转站使沿轴突传播的电信号突然停止，将其转换为跨突触释放化学物质的信号，并在突触的另一侧启动电信号。这会减慢整个过程，并在信号传输时引入一些错误，因为突触并不是 100% 可靠。突触之所以如此引人注目，是因为它能够随着经验而变化。根据它接收到的输入，它传输信号的效率可能会变得更高或更低。它是一种内置的迷你学习设备，像玉米穗上的小结一样遍布神经系统。

我们和我的学生一起深入研究突触，探究编码突触蛋白质的基因。突触的两侧必须精确对齐，才能有效传输消息。这种精确的对齐是由将两侧锁定到位的蛋白质支架介导的。数百种共同充当突触的蛋白质中的一些，特别是支架蛋白，已经在单细胞生物中开始了它们的进化之旅。脚手架悬挂其上的附着物。海绵利用了古老的支架，但将其擦拭干净并从中悬浮了新的蛋白质来构建突触。进化利用古代基因作为零件清单来构建神经系统。

海绵揭示了部分神经系统在发展为成熟神经系统过程中的样子。为了进食，海绵的水状内部布满了鞭毛（毛状附属物），它们保持协调的节拍以使微生物循环以供摄取。鞭毛的协调节拍暗示着类似于早期神经系统的东西。

古老而不起眼的海绵使未来各种各样的生命形式成为可能。

两年前，海德堡欧洲分子生物学实验室的德特列夫·阿伦特实验室进行了一系列非凡的实验。阿伦特和同事发现，这个消化室中的两种不同的细胞类型可以接触，并且这两种细胞表达位于突触一侧或另一侧的特定蛋白质。这些细胞间通讯的第一个实验不是突触；而是突触。它们缺乏将接触转化为神经元中电信号的机制。尽管如此，大自然已经开始探索类似神经的交流。

历史是由胜利者书写的，因此进化只告诉我们胜利者——那些幸存下来的人，要么是古代祖先的现代后代，要么是地球上曾经成功存在的化石记录。从如此初级的开始，具有能够在全身发出嗡嗡声的突触的神经系统成为动物王国的胜利者。

神经系统不断进化并辐射到整个动物界。它导致了诸如交配、章鱼的颜色变化、冬眠、蜜蜂的摇摆舞和睡眠时的梦境等生存策略。蓝鲸的大脑可以长到像大众发动机一样大，沙蚕的大脑可以缩小到人类头发宽度的组织斑点。

神经系统及其所提供的增强的适应性可能是植物界和动物界之间巨大鸿沟的基础之一，这使得植物界和动物界走上了不同的进化道路。它为动物提供了运动能力，而植物则绕过了整个任务。动物也适应了多种运动方式：鱼类的游泳、鸟类和蝙蝠的飞行、昆虫的爬行、蛇的滑行、长臂猿的摆动手臂以及螃蟹荒谬的侧向跳跃。

人们很容易低估运动的复杂性。动物必须预测每次运动时它在周围空间障碍物中的位置以及运动的速度。它必须感受到移动的动机，无论是察觉到危险、饥饿感、追求伴侣，还是不安地漫步的冲动。当你在路上接近一只松鼠时，你几乎可以看到大脑在运作——它会犹豫片刻，决定冲向预定的目的地，不确定那里可能有什么，或者从哪里回到熟悉的安全地带。它来了。活力带来选择，自由与否是另一回事。

令人震惊的是，在一块 6 亿年前的海绵中，一组基因奠定了未来的框架，而未来只能是一个抽象的空间，一个无形的梦想，就像意识空间一样难以捉摸。

这个抽象空间是“进化性”的属性，它深深地建立在生物学的结构中，以在物种之间创造可遗传的变异，并提高生物体对其环境的适应性。进化性并不存在于任何基因序列中，而是基因与环境相连的集体属性。

海绵的神经系统尚未实现，它对眼前的漫长岁月浑然不觉，默默地计算着自己的未来。这个未来取决于它的基因，这是一套可以忠实地繁殖几代人并随着进化而改变形式的指令。进化赋予了不起眼的海绵一种基因程序，使未来各种各样的生命形式成为可能。共同的生活错综复杂，美丽地融合了几代人的恒心和随着进化时间的变化，以美丽的舞蹈。

肯尼思·S·科西克 (Kenneth S. Kosik) 是一位神经科学家，其研究成果曾发表在《纽约时报》、BBC、CNN、PBS 和60 分钟节目上。他在加州大学圣巴巴拉分校艺术与人文学科毕业典礼上的演讲存档于此。