最早动物的四肢是如何演化出来的?

最早的四肢其实是鱼鳍,五指手是后来才出现的。从鳍到四肢的转变,大致是这样发生的。

直接答案

四肢并不是随着陆生动物才出现的;最早的类肢结构是古代肉鳍鱼的鳍,这些鳍里已经包含了后来变成胳膊和腿的基本骨骼架构[1][2]。四足动物熟悉的五趾四肢出现得更晚,是在水到陆地的转变过程中由这些鱼鳍改造而来,而五指格局的确切原因至今仍有争论[1]。

5篇文献引用

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最早的四肢是鱼鳍,不是腿

人们很容易把四肢想象成陆生动物的发明,但化石和解剖学证据指向的却是相反的方向。鱼是最早拥有广义上四肢——也就是鳍——的动物,而演化出四足动物的肉鳍鱼,已经具备带关节和指状元素的鳍骨骼[2]。换句话说,胳膊和腿的原材料早在任何动物走上陆地之前,就已经存在于水中了。

这一点之所以重要,是因为它改变了问题的提法。四肢的演化并不是从无鳍的鱼突然跳到有腿的陆生动物,而是对已有鳍结构的改造。从古代肉鳍鱼到早期四足动物的转变,最好理解为一种已经以某种形式存在的肢体在比例、关节排列和功能上的变化[1]。

为什么是五趾,答案为何仍未定

五趾四肢是大多数现存四足动物共有的格局,而为什么偏偏是这个数目被固定下来,长期以来一直是个谜。最近一项关于从鱼到四足动物转变的分析认为,五指的选择可以用来改写肢体演化理论,提示动物发育四肢的机制比简单逐步增加指头受到更多限制[1]。这一说法的范围特指从鱼到四足动物的转变,而不是所有有肢体的动物。

现有证据还无法确定五指究竟是被功能选择所青睐、受发育限制所决定,还是两者兼有。比较解剖学确实显示的是,脊椎动物肢体的关节和指头在这一转变中经历了大幅改造和分化,而五趾格局是这种改造的结果,而不是起点[1][2]。

肢骨内部发生了什么

四肢不只是外形的问题,肢骨的内部结构也发生了变化。在大多数四足动物中,肢骨会制造血细胞,这一过程称为造血,但辐鳍鱼的鳍骨中没有这一现象[4]。一项对干群四足动物、蛙类两栖动物和羊膜动物肱骨化石的研究发现,二叠纪四足动物似乎是最早表现出集中化骨髓组织的类群之一,这种组织能够像现存羊膜动物那样制造血细胞[4]。

这一发现削弱了早先的一种看法,即血细胞制造在水到陆地转变之前就迁入长骨,以抵御恶劣环境。相反,化石证据提示,长骨造血很可能不是对陆地生活的适应,骨髓的功能性获得在肢骨演化中出现得更晚[4]。这很好地说明,肢体的故事也包括它的内部组织,而不只是关节和指头。

四肢只是早期动物众多新特征之一

四肢并不是孤立演化出来的。埃迪卡拉纪—寒武纪大爆发期间动物的早期演化涉及许多新特征,研究者区分了产生新形态的潜力与新形态特征的实际出现[3]。这一框架提示,发育能力可以迅速扩展,却不立即产生新的可见结构,这也提醒我们,四肢的发育能力可能先于四肢本身出现[3]。

这一更广阔的背景下并不能直接解释四肢的起源,但它告诫我们不要把四肢当成一次突然的发明。证据与这样一幅图景相符:四肢的发育和解剖基础是逐步奠定的,而从鳍到四肢的转变正是这种更深层能力的一种表现[1][3]。

本文引用的文献

1

古代肉鳍鱼多趾肢体向早期四足动物五趾肢体的演化:我们手上为什么有五根手指?

从肉鳍鱼的鳍到五趾四足动物肢体的转变涉及五指的选择,而这可以用来修正肢体演化理论。

2

脊椎动物肢体关节与指头的生物形态学、转变与分化

鱼是最早拥有肢体(鳍)的动物,脊椎动物的肢体关节和指头经历了演化上的转变与分化。

3

发育能力与动物的早期演化

早期动物演化涉及发育上的新特征,这些新特征扩展了产生形态的能力,有时并不立即产生新的可见结构。

4

肢骨生长板与骨髓早期演化获得新认识

二叠纪四足动物似乎是最早表现出集中化骨髓组织、能够进行造血的类群之一,提示长骨血细胞制造很可能不是对水到陆地转变的适应。

5

动物的肢体偏好:对人类近亲手工侧化演化的新认识

动物的肢体偏好和手工侧化与遗传、发育和大脑因素有关,物体操作与针对活体目标的动作表现出不同的侧化。