研究表明哺乳动物的最早祖先并非像科学家之前推测的那样如蜥蜴般运动
据中国科学报（唐凤）：以现存爬行动物为模型研究哺乳动物祖先脊椎的传统做法，可能不是一个好的选择。研究表明，哺乳动物的最早祖先并非像科学家之前推测的那样如蜥蜴般运动。
美国科学家领导的一项研究，通过测量现存和灭绝的脊椎动物（爬行动物、哺乳动物及其灭绝近亲）的脊椎形状，对目前流行的脊椎进化假说提出了挑战。研究人员描绘了脊椎结构的进化对功能的影响，并表明非哺乳类合弓纲动物脊椎的移动方式与任何现存动物截然不同。3月2日，相关论文发表于《当代生物学》。
“现存爬行动物被拿来与合弓纲动物比较，因为它们有相似的伸展姿势。然而，我们详细分析发现，这些动物的脊椎结构和功能可能完全不同。因此，现存爬行动物并不是研究合弓纲动物脊椎的好模型。”该团队负责人、哈佛大学生物与进化生物学系Katrina E. Jones在接受《中国科学报》采访时说。
就像一把瑞士军刀
脊椎对哺乳动物的运动而言，就像一把瑞士军刀。它能以各种方式发挥作用，从而使运动具有显著多样性。那么，哺乳动物的祖先也是这样吗？
动物能跑、游、爬、飞，部分归功于脊椎的大规模重组，而这发生在大约3.2亿年前的进化过程中。翻开任何一本解剖学教科书，你都会发现一个长期存在的假说，即哺乳动物的脊椎骨具有独一无二的矢状（上下）运动能力，这进化自一种功能类似于现存爬行动物的古老脊椎骨。另一方面，爬行动物的脊椎骨只能侧向（左右）移动。
这种所谓“侧向到矢状”的转变完全是基于已灭绝的合弓纲动物和现代蜥蜴表面上的相似性。
合弓纲动物出现在3.2亿年前的晚石炭纪，是二叠纪中到晚期的优势陆地动物。因为它们演化出了哺乳动物，因此也被认为是现代哺乳动物的祖先。
Jones表示，研究发现，虽然在哺乳动物进化过程中，矢状弯曲程度确实有所增加，但最早的合弓纲动物脊椎骨具有最佳硬度，在向哺乳动物进化的过程中，并不包括以爬行类动物侧向弯曲为特征的阶段。
“哺乳动物直接从侧向弯曲过渡到矢状弯曲的观点太简单了。”资深作者、哈佛大学生物与进化生物学系助理教授Stephanie Pierce说，“几百万年前，蜥蜴和哺乳动物分道扬镳，各自踏上了进化之旅。我们的研究表明，现存的蜥蜴并不代表任何一种祖先形态或功能，不过这两个类群很久以前可能有共同之处。”
那么，哺乳动物祖先的脊椎究竟是什么样的，又如何移动呢？想找出答案，就要对大样本脊椎骨进行量化。
量化脊椎骨有点棘手
“我们首先必须量化脊椎的形状，这实际上有点棘手。”Jones说，“脊椎形状非常复杂，很难测量。每条脊椎都由多个脊椎骨组成，不同物种的脊椎骨数量不同，而脊椎骨数量不同的动物，其骨头形状和功能很可能以不同方式划分。这比较有挑战性。”
于是Jones等人测量了一系列爬行动物、哺乳动物和蝾螈标本以及合弓纲动物化石的脊椎形状。这些标本来自世界各地的博物馆：现代动物骨骼主要来自比较动物学博物馆、菲尔德自然历史博物馆，以及美国、欧洲和南非的其他博物馆。
研究人员在每种动物脊椎的相同位置选择了5块脊椎骨，然后使用一种地标技术——几何形态测量学，测量了不同动物脊椎骨的三维形状。结果表明，合弓纲动物与现代哺乳动物的脊椎有很大不同，与蜥蜴等爬行动物也有很大不同。
接下来，研究人员利用之前的研究数据，对现代蜥蜴和哺乳动物的脊椎形状和运动程度进行了比较，以检验脊椎是如何运动的，进而提供了形状和功能间的关键联系。这些数据使研究人员绘制出大量动物样本脊椎功能的变化，重建并描述了每种动物的功能特征精确组合。
“我们的数据分析方法令人兴奋，因为它可以揭示不同脊柱形状如何导致不同的功能权衡。”Pierce告诉《中国科学报》，例如爬行动物脊椎非常擅长侧弯，但不能像哺乳动物那样上下移动。
进化需要权衡
“我们能证明，与现存爬行动物和哺乳动物相比，合弓纲动物脊椎骨有不同的功能组合。”Jones说，“在进化过程中，它们不是从爬行类的侧弯到哺乳类的矢状弯曲，而是从一条完全不同的路径上单独进化而来。”
一种传统推测是，哺乳动物祖先与现代爬行动物做了同样的权衡。但事实证明，它们有一套完全不同的折中体系。
合著者、菲尔德自然历史博物馆Ken Angielczyk表示：“爬行动物的进化时间和哺乳动物一样长，也正因为如此，它们也有同样长的时间积累‘特殊技能’。在进化过程中，哺乳动物和爬行动物都积累了自己的一套专长。”
研究结果表明，合弓纲动物脊椎骨实际上非常坚硬，完全不同于蜥蜴，后者在横向上非常有曲度。此外，在哺乳动物进化过程中，这种坚硬的脊椎增加了新功能，包括下背部的矢状弯曲和上部的扭转。这些新功能对于构建哺乳动物功能多样化的脊椎骨至关重要，可使现代哺乳动物跑得非常快，并能旋转身体梳理皮毛。相比之下，爬行动物进化出非常有曲度和能侧向移动的脊椎，以适应它们特殊的运动模式。
Pierce说：“通过对化石记录的严格分析，我们认为这是一个更加复杂和有趣的进化故事。我们现在正在揭示哺乳动物脊椎骨的进化路径。”
研究人员正在用CAD辅助的三维模型测试该研究结果。到目前为止，该测试支持了这篇论文中的发现。未来的研究将创建3D模型直接测试这些动物脊椎骨的功能和移动状态。“我们还不知道整个故事。”Jones说，“但已经接近了。”
相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.cub.2021.02.009
