菲爾德自然歷史博物館展出的棘龍（哺乳動(dòng)物遠(yuǎn)古親戚）骨架。圖片來源：Ken Angielczyk
　　以現(xiàn)存爬行動(dòng)物為模型研究哺乳動(dòng)物祖先脊椎的傳統(tǒng)做法，可能不是一個(gè)好的選擇。研究表明，哺乳動(dòng)物的最早祖先并非像科學(xué)家之前推測(cè)的那樣如蜥蜴般運(yùn)動(dòng)。
　　美國(guó)科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)研究，通過測(cè)量現(xiàn)存和滅絕的脊椎動(dòng)物（爬行動(dòng)物、哺乳動(dòng)物及其滅絕近親）的脊椎形狀，對(duì)目前流行的脊椎進(jìn)化假說提出了挑戰(zhàn)。研究人員描繪了脊椎結(jié)構(gòu)的進(jìn)化對(duì)功能的影響，并表明非哺乳類合弓綱動(dòng)物脊椎的移動(dòng)方式與任何現(xiàn)存動(dòng)物截然不同。3月2日，相關(guān)論文發(fā)表于《當(dāng)代生物學(xué)》。
　　“現(xiàn)存爬行動(dòng)物被拿來與合弓綱動(dòng)物比較，因?yàn)樗鼈冇邢嗨频纳煺棺藙?shì)。然而，我們?cè)敿?xì)分析發(fā)現(xiàn)，這些動(dòng)物的脊椎結(jié)構(gòu)和功能可能完全不同。因此，現(xiàn)存爬行動(dòng)物并不是研究合弓綱動(dòng)物脊椎的好模型?！痹搱F(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、哈佛大學(xué)生物與進(jìn)化生物學(xué)系Katrina E. Jones在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說。
　　就像一把瑞士軍刀
　　脊椎對(duì)哺乳動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)而言，就像一把瑞士軍刀。它能以各種方式發(fā)揮作用，從而使運(yùn)動(dòng)具有顯著多樣性。那么，哺乳動(dòng)物的祖先也是這樣嗎？
　　動(dòng)物能跑、游、爬、飛，部分歸功于脊椎的大規(guī)模重組，而這發(fā)生在大約3.2億年前的進(jìn)化過程中。翻開任何一本解剖學(xué)教科書，你都會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)長(zhǎng)期存在的假說，即哺乳動(dòng)物的脊椎骨具有獨(dú)一無二的矢狀（上下）運(yùn)動(dòng)能力，這進(jìn)化自一種功能類似于現(xiàn)存爬行動(dòng)物的古老脊椎骨。另一方面，爬行動(dòng)物的脊椎骨只能側(cè)向（左右）移動(dòng)。
　　這種所謂“側(cè)向到矢狀”的轉(zhuǎn)變完全是基于已滅絕的合弓綱動(dòng)物和現(xiàn)代蜥蜴表面上的相似性。
　　合弓綱動(dòng)物出現(xiàn)在3.2億年前的晚石炭紀(jì)，是二疊紀(jì)中到晚期的優(yōu)勢(shì)陸地動(dòng)物。因?yàn)樗鼈冄莼隽瞬溉閯?dòng)物，因此也被認(rèn)為是現(xiàn)代哺乳動(dòng)物的祖先。
　　Jones表示，研究發(fā)現(xiàn)，雖然在哺乳動(dòng)物進(jìn)化過程中，矢狀彎曲程度確實(shí)有所增加，但最早的合弓綱動(dòng)物脊椎骨具有最佳硬度，在向哺乳動(dòng)物進(jìn)化的過程中，并不包括以爬行類動(dòng)物側(cè)向彎曲為特征的階段。
　　“哺乳動(dòng)物直接從側(cè)向彎曲過渡到矢狀彎曲的觀點(diǎn)太簡(jiǎn)單了。”資深作者、哈佛大學(xué)生物與進(jìn)化生物學(xué)系助理教授Stephanie Pierce說，“幾百萬年前，蜥蜴和哺乳動(dòng)物分道揚(yáng)鑣，各自踏上了進(jìn)化之旅。我們的研究表明，現(xiàn)存的蜥蜴并不代表任何一種祖先形態(tài)或功能，不過這兩個(gè)類群很久以前可能有共同之處?！?br/>　　那么，哺乳動(dòng)物祖先的脊椎究竟是什么樣的，又如何移動(dòng)呢？想找出答案，就要對(duì)大樣本脊椎骨進(jìn)行量化。
　　量化脊椎骨有點(diǎn)棘手
　　“我們首先必須量化脊椎的形狀，這實(shí)際上有點(diǎn)棘手?！盝ones說，“脊椎形狀非常復(fù)雜，很難測(cè)量。每條脊椎都由多個(gè)脊椎骨組成，不同物種的脊椎骨數(shù)量不同，而脊椎骨數(shù)量不同的動(dòng)物，其骨頭形狀和功能很可能以不同方式劃分。這比較有挑戰(zhàn)性?！?br/>　　于是Jones 等人測(cè)量了一系列爬行動(dòng)物、哺乳動(dòng)物和蠑螈標(biāo)本以及合弓綱動(dòng)物化石的脊椎形狀。這些標(biāo)本來自世界各地的博物館：現(xiàn)代動(dòng)物骨骼主要來自比較動(dòng)物學(xué)博物館、菲爾德自然歷史博物館，以及美國(guó)、歐洲和南非的其他博物館。
　　研究人員在每種動(dòng)物脊椎的相同位置選擇了5塊脊椎骨，然后使用一種地標(biāo)技術(shù)——幾何形態(tài)測(cè)量學(xué)，測(cè)量了不同動(dòng)物脊椎骨的三維形狀。結(jié)果表明，合弓綱動(dòng)物與現(xiàn)代哺乳動(dòng)物的脊椎有很大不同，與蜥蜴等爬行動(dòng)物也有很大不同。
　　接下來，研究人員利用之前的研究數(shù)據(jù)，對(duì)現(xiàn)代蜥蜴和哺乳動(dòng)物的脊椎形狀和運(yùn)動(dòng)程度進(jìn)行了比較，以檢驗(yàn)脊椎是如何運(yùn)動(dòng)的，進(jìn)而提供了形狀和功能間的關(guān)鍵聯(lián)系。這些數(shù)據(jù)使研究人員繪制出大量動(dòng)物樣本脊椎功能的變化，重建并描述了每種動(dòng)物的功能特征精確組合。
　　“我們的數(shù)據(jù)分析方法令人興奮，因?yàn)樗梢越沂静煌怪螤钊绾螌?dǎo)致不同的功能權(quán)衡?！盤ierce告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，例如爬行動(dòng)物脊椎非常擅長(zhǎng)側(cè)彎，但不能像哺乳動(dòng)物那樣上下移動(dòng)。
　　進(jìn)化需要權(quán)衡
　　“我們能證明，與現(xiàn)存爬行動(dòng)物和哺乳動(dòng)物相比，合弓綱動(dòng)物脊椎骨有不同的功能組合?！盝ones說，“在進(jìn)化過程中，它們不是從爬行類的側(cè)彎到哺乳類的矢狀彎曲，而是從一條完全不同的路徑上單獨(dú)進(jìn)化而來?！?br/>　　一種傳統(tǒng)推測(cè)是，哺乳動(dòng)物祖先與現(xiàn)代爬行動(dòng)物做了同樣的權(quán)衡。但事實(shí)證明，它們有一套完全不同的折中體系。
　　合著者、菲爾德自然歷史博物館Ken Angielczyk表示：“爬行動(dòng)物的進(jìn)化時(shí)間和哺乳動(dòng)物一樣長(zhǎng)，也正因?yàn)槿绱?，它們也有同樣長(zhǎng)的時(shí)間積累‘特殊技能’。在進(jìn)化過程中，哺乳動(dòng)物和爬行動(dòng)物都積累了自己的一套專長(zhǎng)?！?br/>　　研究結(jié)果表明，合弓綱動(dòng)物脊椎骨實(shí)際上非常堅(jiān)硬，完全不同于蜥蜴，后者在橫向上非常有曲度。此外，在哺乳動(dòng)物進(jìn)化過程中，這種堅(jiān)硬的脊椎增加了新功能，包括下背部的矢狀彎曲和上部的扭轉(zhuǎn)。這些新功能對(duì)于構(gòu)建哺乳動(dòng)物功能多樣化的脊椎骨至關(guān)重要，可使現(xiàn)代哺乳動(dòng)物跑得非?？?，并能旋轉(zhuǎn)身體梳理皮毛。相比之下，爬行動(dòng)物進(jìn)化出非常有曲度和能側(cè)向移動(dòng)的脊椎，以適應(yīng)它們特殊的運(yùn)動(dòng)模式。
　　Pierce說：“通過對(duì)化石記錄的嚴(yán)格分析，我們認(rèn)為這是一個(gè)更加復(fù)雜和有趣的進(jìn)化故事。我們現(xiàn)在正在揭示哺乳動(dòng)物脊椎骨的進(jìn)化路徑?！?br/>　　研究人員正在用CAD輔助的三維模型測(cè)試該研究結(jié)果。到目前為止，該測(cè)試支持了這篇論文中的發(fā)現(xiàn)。未來的研究將創(chuàng)建3D模型直接測(cè)試這些動(dòng)物脊椎骨的功能和移動(dòng)狀態(tài)。“我們還不知道整個(gè)故事。”Jones說，“但已經(jīng)接近了。”
　　相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cub.2021.02.009