为什么进化出了这么多不同的眼睛？游戏式模拟或许能给出答案

蜘蛛头部遍布多只眼睛，脊椎动物捕食者却只有两只朝前的眼睛；螳螂虾能看到比人类更多的颜色，而人类的色觉又优于狗——为何会进化出如此多样的眼睛？《科学进展》杂志日前发表的一项新颖游戏化计算机模拟研究表明，不同眼睛类型的出现可能是为了应对特定任务，且更优良的眼睛需要与更发达的大脑协同进化。

莱布尼茨进化与生物多样性研究所的进化生物学家劳伦·萨姆纳-鲁尼（未参与该研究）评价这种研究眼睛进化的新方法“非常酷”。她说，以往的视觉进化模型将视觉与其他能力孤立模拟，而新模拟更广泛地考察生物如何认知世界以及视觉在其中的作用，“更接近生物学的真实运作方式”。

研究进化的学者通常从结果出发：观察不同物种，推测其特定性状的成因。但麻省理工学院博士生库沙格拉·蒂瓦里及其团队想模拟起点——构建视觉环境，观察眼睛在多代适应中会进化出何种形态。

蒂瓦里表示，团队用类似视频游戏的软件构建环境，模拟真实世界物理规律，然后在这个世界中放入数百个数字“智能体”。这些简单角色最初只有一只眼睛（仅能看到一个像素），并配有被称为神经网络的计算系统作为基础大脑，可从环境中学习。研究人员微调这些特征，让每个智能体初始生物构造不同，以模拟现实世界的遗传多样性。

智能体的任务是在环境中导航：要么穿过迷宫不撞墙，要么找到绿色“食物球”并避开两个红色“毒球”。通过重复任务，它们能从成败中学习。为模拟自然选择，任务表现最好的智能体将其特征（如眼睛数量、视觉清晰度）传递给新一代智能体。模拟还会对遗传特征引入随机变化，以模拟自发产生的基因突变。

渐渐地，更复杂的视觉系统出现了。到第50代时，需要找食物和避毒的智能体进化出两只朝前的高分辨率眼睛，但周边视觉较差——研究人员认为这是因为周边视觉对生存没那么重要。而迷宫导航的智能体则进化出类似许多昆虫复眼的结构，空间感知能力出色，但细节识别能力有限。

在第二项研究中，研究人员调整模拟，让智能体有可能进化出晶状体（通过大量进光并弯曲光线形成清晰图像来增强视觉）。结果发现，这种结构在130代内就出现了，拥有晶状体的智能体更擅长找到“食物球”。

最后一项测试中，研究人员探究更复杂的神经网络（代表更大的大脑）能否弥补弱视觉，或优良视觉能否弥补弱大脑。结果显示，智能体要在特定任务上表现更好，眼睛和大脑必须共同提升。这与自然界现象一致：视觉分辨率更高的动物，大脑也更大。

萨姆纳-鲁尼指出，视觉为特定任务特化以及眼睛与大脑协同进化的发现，支持了视觉科学中长期存在的假说。她说，通过让智能体在模拟世界中“看见”并从环境中学习，该模型成为研究进化的“强大工具”，将开启新可能。未来模拟可增加更多复杂性，如智能体间的竞争或不同视觉类型“物种”间的竞争。

萨塞克斯大学视觉神经科学家丹尼尔·奥索里奥认为，模拟缺少现实进化中的一个重要细节：眼睛和大脑的大小及复杂性受身体维持它们所需能量的限制。但他表示，科学家可利用此类模拟更好地理解特定眼睛和大脑类型的成因，例如蜘蛛的四对眼睛常特化用于导航或追踪等功能，模拟有助于解释不同蜘蛛物种如何进化出不同特化眼睛。

西北大学计算机科学家艾玛·亚历山大（未参与该研究）补充道，这篇论文是“对眼睛进化理解的重大更新”，它表明“可用现代计算工具以新方式理解进化，这非常令人兴奋”。