从“爬”到“走”，Science子刊解答哺乳动物如何实现跨步

揭示了从四肢伸展到直立姿势的演变。

　　

哺乳动物，包括人类，以其独特的直立姿势脱颖而出，这一特征推动了他们的进化成功。然而，已知的现代哺乳动物最早的祖先更像爬行动物，四肢伸开在身体两侧，呈伸开的姿势。

从像蜥蜴那样的四肢伸开的姿势到像人类、狗和马这样的现代哺乳动物的直立姿势的转变，标志着进化中的一个关键时刻。尽管经过了一个多世纪的研究，这种飞跃背后的确切方式、原因和时间仍然难以捉摸。

发表在《Science Advances》杂志上的一项新研究为这个谜团提供了新的见解，揭示了哺乳动物从四肢伸展到直立姿势的转变绝不是直截了当的。通过将化石数据与先进的生物力学模型相结合的方法，研究人员发现，这种转变出乎意料地复杂和非线性，而且发生的时间比之前认为的要晚得多。

论文的第一作者、博士后Peter Bishop和资深作者Stephanie Pierce教授都是生物与进化生物学系的，他们首先研究了五个现代物种的生物力学，这些物种代表了四肢姿势的全部范围，包括一条泰古蜥蜴（四肢摊开）、一条短吻鳄（半直立）和一条灰狗（直立）。

Bishop说：“通过对这些现代物种的首次研究，我们大大提高了对动物解剖结构与站立和移动方式之间关系的理解。然后我们可以把它放在一个进化的背景下，看看姿势和步态是如何变化的。”

研究人员将他们的分析扩展到来自四大洲的八个样本化石物种，跨越了3亿年的进化史。这些物种从1盎司重的原始哺乳动物巨齿龙到重达数百磅的蛇齿龙，还包括像帆背异齿龙和剑齿食肉动物Lycaenops这样的动物。毕晓普和皮尔斯利用物理学和工程学的原理，建立了肌肉和骨骼如何相互连接的数字生物力学模型。这些模型使他们能够进行模拟，以确定后肢在地面上能施加多大的力。

“肢体对地面施加的力的大小是动物运动能力的关键决定因素，”Bishop说。“如果你不能在需要的时候在特定的方向上产生足够的力量，你就不能跑得那么快，转弯那么快，或者更糟的是，你很可能会摔倒。”

计算机模拟产生了一个3D“可行力空间”，可以捕捉肢体的整体功能表现。Pierce说：“计算可行的力空间隐含地解释了整个肢体中肌肉、关节和骨骼之间可能发生的所有相互作用。这让我们对更大的图景有了更清晰的认识，对肢体功能和运动以及数亿年来它是如何进化的有了更全面的认识。”

虽然可行力空间的概念自20世纪90年代以来一直存在，但这项研究是第一次将其应用于化石记录，以了解灭绝动物曾经是如何移动的。作者将模拟打包成新的“化石友好”计算工具，可以帮助其他古生物学家探索他们自己的问题，也可以帮助工程师设计更好的生物灵感机器人，可以在复杂或不稳定的地形上导航。

该研究揭示了几个重要的运动“信号”，包括现代物种的整体力量产生能力在每个物种在日常行为中使用的姿势周围最大。毕晓普和皮尔斯说，这使他们相信，对灭绝物种获得的结果真实地反映了它们活着时的站立和移动方式。

在分析了灭绝的物种后，研究人员发现，运动能力在数百万年的时间里达到顶峰和下降，而不是以简单的线性方式从伸展到直立。一些灭绝的物种似乎也更灵活——能够在更舒展的姿势和更直立的姿势之间来回转换，就像现代的短吻鳄和鳄鱼一样。其他研究显示，在哺乳动物进化之前，人类的姿势发生了强烈的逆转。结合这项研究的其他结果，这表明与直立姿势相关的特征在今天的哺乳动物中进化得比之前认为的要晚得多，很可能接近于兽类哺乳动物的共同祖先。

这些发现也有助于解决化石记录中几个尚未解决的问题。例如，它解释了许多哺乳动物祖先持续存在的不对称的手、脚和肢体关节，这些特征通常与现代动物的伸展姿势有关。这也有助于解释为什么早期哺乳动物祖先的化石经常被发现是被压扁的、摊开的姿势——这种姿势更可能是四肢摊开的姿势，而现代胎盘和有袋动物的化石通常是侧躺着的。

Bishop说：“作为一名科学家，当一组结果可以帮助阐明其他观察结果，使我们更接近更全面的理解时，这是非常令人欣慰的。”