为何多数生物都对称，冥冥之中被谁掌控和安排？
2023/3/8 11:30:00 生命科学教育
生物大体上都是对称的，这是来自进化的力量。
而这力量的来源，正是物理法则。
自动物起源开始，就是生活在海洋里。所以它们每移动一步，就受到阻力和粘性力的影响。
不过，海绵一年也就移动几厘米，所以受力几乎可以忽略不计。因而，它们从宏观上的大结构来说，没有形成长得对称的动力。
但是，海绵生活在水里，海水动荡，对它们的影响也不能忽略不计。
所以，它们在一些局部上，尽量减少水冲击力的影响。于是长成了球状或者圆柱状的结构。
那为什么会长成球状或者柱状结构呢？
根据阻力公式：
F=(1/2)CρSV2
C为水的阻力系数；ρ为空气密度；S为迎风面积；V为水流速度。
当水的密度ρ和海绵结构的横截面S，以及水流速度相对固定时，阻力系数越低，那么受到的阻力也就越低，越有利于生存。
那什么样的阻力系数最低呢？
虽然不同的形状和状态影响阻力系数的计算，但对于形状相对固定的物体来说，它的阻力系数和夹角是正比关系的。
理论来说，海绵某一方向的夹角足够小，那么受到的阻力也就最小。
例如，旗鱼通过长长的“鼻尖”，来降低在水中的阻力。
那为什么海绵没有长得尖尖的呢？
主要原因在于水的流动是不固定的，来自四面八方。
就说像旗鱼这样，虽然前方受到的阻力是小了，但一个湍流从侧面而来，直接就被掀翻了。
所以就必须有一个形状，把四面八方阻力的上限降到最低。
在不考虑粘度的情况下，垂直平面的阻力系数是1，柱状(弧面)是0.5。
也就是说柱状或者球状，在应对四面八方来的水流时，可以降低一半的阻力，这是一个很大的优势。这同样是树干进化成柱状的根本原因。
随着生物的进化，动物有了更多的运动需求，出现了刺胞动物(水母等等)。
一开始进化出来的刺胞动物会是一些体型很小的动物，它们不仅受到水阻力的影响，也会受到粘度的影响。
根据牛顿粘性定律，粘性力为：
f=ηA(du/dy)
η为动力粘度系数，A为接触面积，括号中间的是速度梯度。
从公式来看，在相同的温度，以及水流环境下，水的动力粘度系数和流速梯度都相对固定。
粘性力与接触面积A成正比，而对于形状不变的物体来说，物体的表面积又和接触面积成正比，与物体尺度的平方成正比。而物体的质量(惯性)与物体尺度的三次方成正比。
所以，对于尺度越小的物体来说，会受到粘性力的明显影响。
1883年，英国物理学家雷诺观察到了这一现象，首先总结出它们的关系：
Re=ρvL/μ
Re便是雷诺数，与流体密度ρ、流速v，以及物体的特征长度L(尺度大小，偶尔也有符号D表示)成正比，而与粘度μ成反比。
所以，在外界条件限定的情况下，雷诺数和尺度反比。
当雷诺数足够小时，粘性力的影响会大于惯性，严重影响生物的自主运动。而当雷诺数足够大时，惯性的影响会明显强过粘性力，生物自主运动的受到的影响就会较低。
所以我们也能观察到这样的现象，对于足够大的生物掉落在水中，没有明显的粘滞感。而对于蠓这样的小型动物来说，掉落水中就会有明显的粘滞感。
所以，一开始进化出来的小型刺胞动物，运动能力相当有限。
头部也只能往圆面的方向发展，来降低阻力。
头部形成了圆面，运动受力要均衡，自然也就形成了辐射对称，只能以涌动的方式进行运动。
后来，有一批水母的浮浪幼虫逐渐进化成了另外一种生物——扁形虫(浮浪幼虫起源说)。由于扁形虫干细胞比例高，再生能力强，100多年来，经常被人类切着玩。
例如涡虫，经常被碎尸万段，然后观察它们化整为零的表演。
那么，扁形虫这样扁扁的形状，是怎么进化出来的。
主要原因在于，它们起源的时候，是海洋底栖的。
在海洋底部的时候，你圆滚滚的状态，自然不利于运动的。反而变成扁形的，贴于海底，更有利于降低水的阻力。
一开始的扁形虫并不需要多大的运动需求，且随着生物提醒的增大，粘性力的影响也就越来越低了。后来的大体型生物，在进化的过程中，更多的受到阻力的影响。
正是因为这样的因素，所以底栖的海星和比目鱼都是扁形的。
但刺胞动物的浮浪幼虫，本身属于偏柱状的形态。
所以，随着底栖扁化之后，自然而然也就成了两侧对称的生物。
也差不多从扁形虫开始，动物逐渐分化成了后口和原口两大类。我们知道，生物进化其实就是一个模板再套一个模板的过程，已经写好的“代码”无法再抹除(当然，可以通过变成内含子来隐藏，但一些基本的框架已经无法改变)。
所以后来的原口和后口动物，自然就只能是以两侧对称为主了。
至于海星这样的棘皮动物来说，先天都是两侧对称，它们的辐射对称是次生出来的。
但为什么只有海星次生出辐射对称，在其它动物之中没有流行呢？
其实这主要和海星复杂的生活史有关。早期的生物，为了适应海洋环境，从进化出了比较复杂的生活史。例如，海鞘为首的尾索动物，甚至成年体还退化了“大脑”，直接营固着生活。
乃至于它们的形态，也带着那么一点的辐射状：
海胆甚至还长得给个球样。
决定这一切的，又得回归到物理上来。
无论这些动物怎样千姿百态，它们之所以长得这样的与众生不同，有一个很大的特点，就是成年体速度很慢，甚至直接营固着生活。它们自然需要根据环境的不同，变化自己的形态，以在保证生活所需的状态下，尽量的降低水流的影响。
而对于越有速度需求的生物，形态则更加的往流线型的方向发展。
寒武纪爆发时，节肢动物出现，但节肢动物很依赖几丁质外壳，它们的运动速度相对来说，也并不是很快，而且不少也是底栖生物。
所以整体形态，依旧是扁状的。
但同时期进化出来的脊索动物就不一样了，它们在节肢动物的早期制霸下，必须快速逃跑，所以进化出了发达的肌肉和流线型的体态。
所以，进化成今天鱼类这样扁形的形态，才是最有利生存的。
这样既能降低阻力面积，又能方便肌肉源源不断地提供进行的动力。甚至进化出了各种鱼鳍，方面驱动和协调。
先前已经说了，生物在后天的进化过程中，无论生理功能随着环境再怎么变化，也离不开祖辈的遗传模板。
所以，后来进化出来的哺乳动物，在陆地上哪怕进化出了厚实的身板，对于那些重返海洋的哺乳动物来说，在没有遇到特殊生境压力的情况下，它们也无法再变成鱼的体态。
它们主要改造身体的流线型结构，但厚实的身板依旧和一半鱼类有着极大的差别。
当然，对于大体型的鱼类来说(例如鲨鱼)，只要不是底栖的，都会有更大的演化动力往厚实的体型发展，毕竟体型足够大之后，过扁的竖状的体型，会受到阻力的过大影响，不利于生存。
但无论怎么发展，都不会怎么失去对称性。过于不对称，代表着左右两边受力不均匀，会大大影响生存能力。尤其是对于飞行的鸟和昆虫来说。
最后简单说说植物。
由于植物，几乎完全不动，所以它们的形态，更是受到环境的影响。
例如，风决定了树干的圆柱状，对光的竞争，决定了叶片的两侧对称。繁殖需求，决定了花朵的对称性。
但是，植物的宏观形态，通常不存在什么对称性。
总的来说，生物大体上都是对称的，主要原因在于，受到生物力学长达数亿年的影响。
根据对不同环境的不同适应，它们的对称，自然也有各种各样的差异。
更何况，绝对的对称，只存在于数学之中。
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