為什麼大多數物種的手和腳都有五個指頭?

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芝加哥大學生物體生物學與解剖學系副教授,Evolution & Development聯合編輯邁克爾·科茨解釋道。

擁有不超過五個手指或腳趾的情況——在此語境中,“大多數物種”指的是有頜脊椎動物的一個亞群——可能在兩棲動物(青蛙、蟾蜍、蠑螈和蚓螈)和羊膜動物(鳥類、哺乳動物以及廣義上的爬行動物)進化分化之前就已演化出來。這一事件可以追溯到大約3.4億年前的早石炭世時期。在此分裂之前,有證據表明,大約3.6億年前的四足動物的肢體長有六個、七個和八個指頭的陣列。從這些多指模式減少到更常見的五個或更少指頭的排列,伴隨著複雜腕關節和踝關節的進化——無論是在骨骼數量方面,還是在組成部分的複雜連線方面。

早期在六指或八指畸形(即,生物體有六個或八個指頭)方面的進化實驗與相當簡單的肢體骨骼有關,非常像現代鯨魚和海豚鰭肢中存在的骨骼。這可能為指頭數量減少的原因之一提供功能性線索,這與簡單“行走”肢體的功能需求有關。與槳狀肢不同,這種肢體必須在一系列基質上提供抓地力,為有效的蹬地提供平臺,並允許相對於下肢和上肢骨骼進行一定程度的旋轉,以便身體的其他部分向前移動。在化石記錄中極少數二次進化的多指肢體的例項中,這種現象與水生類群有關。這方面的經典例子是魚龍的鰭肢,魚龍是生活在6500多萬年前的已滅絕的魚類海洋爬行動物。


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是否有任何確鑿的證據表明,對於現代四足動物的共同祖先來說,五個指頭,而不是例如四個或六個指頭,在生物力學上更可取?答案必須是“否”,部分原因是許多四足動物進一步減少了它們的指頭數量。此外,我們缺乏任何六指的例子來研究。這就引出了答案的第二部分,即要注意,雖然指頭數量可以減少,但它們極少增加。從一般意義上講,這種特徵反映了發育-進化規則,即失去某些東西比重新獲得它更容易。即便如此,考慮到進化時間的漫長性和脊椎動物身體的非凡多樣性,當今動物群中真正六指肢體的顯著缺失突出了某種限制。鼴鼠的爪子和熊貓的“拇指”是經典的例子,其中奇怪地重新塑形的腕骨充當第六個指頭,代表了對於看似簡單的生長額外手指的任務而言,相當巴洛克的解決方案。六個(或更多)指頭的模式可以透過實驗室的發育操作來實現,其中一些操作涉及基因活性的變化,這些變化可能反映了鰭到肢體進化轉變中涉及的轉化。這可能就是五指普遍存在的另一個原因:多效性,或基因對不止一個物理特徵的多重影響。例如,手足生殖器綜合徵是一種罕見的情況,顧名思義,泌尿生殖道和肢體畸形。至關重要的是,負責的基因屬於參與指頭數量和模式形成的一組基因。因此,儘管這並沒有直接告訴我們指頭數量的重要性,但它表明了一些關於發育穩定性的重要資訊:參與我們肢體末端模式形成的機制包括那些與我們的生殖成功相關的機制。因此,請謹慎調整。�

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