我們的手指來自鰭

我們的手指來自鰭

撰文╱朗恩、克勞提爾、翻譯╱張亦葳

從手掌延伸而出的五根手指既靈活又有力,其他四足動物的前肢外觀和功能與人類的手大不相同:鳥類和蝙蝠的前肢成了精巧的翅膀,大象的前肢則壯如樹幹支持著身體,但基本結構卻一樣。1859年,英國演化學家達爾文在《物種起源》提到這些相似之處:「人類用來抓握的手、鼴鼠掘土的手、馬的前腿、鼠海豚的槳狀前肢和蝙蝠的翅膀,都有相同型式的構造和骨頭,並且位在一樣的相對位置上,還有什麼比這更令人好奇?」

達爾文的解釋很棒:不同動物共享一樣型式,是因為牠們都是從前肢具有指骨的共祖演化而來。演化生物學家利用蒐集到的古生物學、遺傳學和胚胎學證據,證明達爾文是正確的。透過科學家的努力,闡明了演化自魚類的四足動物擁有共祖,也發現人類手部骨頭的組成,於蛙類、鳥類和鯨魚有類似的構造,並且在不同物種變異中辨識出控制手部、翅膀和魚鰭發育的特定基因。然而,科學家缺少介於水生魚類和陸生四足動物間的過渡生物的完整化石,有關共祖魚類的鰭內骨頭如何演化出手部和腕部仍模糊不清。

一具極為特殊的化石,屬於3億7500萬年前的魚類希望螈(Elpistostege watsoni)的完整骨骼,終於填補故事的空缺。該化石保留的鰭內骨和我們的指骨相似,顯示手指的演化在脊椎動物離開水域前就已發生。

希望螈的鰭內有許多骨頭,而且化石裡有出乎意料的一連串許多緊密堆疊的小骨頭。胸鰭末端的骨骼中通常含有輻狀軟骨(radial)以支撐桿狀的鰭條。希望螈的鰭也看得到輻狀軟骨位於正確位置,但骨頭數量多且其中某些骨頭呈分散排列,顯示還有其他骨頭存在。我們強烈懷疑,藏在這條遠古魚類胸鰭內、過去從未發現的骨頭其實就是後來演化為四足動物手指的指骨。我們證實有兩指由兩個具關節的骨頭組成,另外可能的三指內為單一骨頭。

為了找出希望螈在系譜樹中的確切位置,我們比較牠和其他物種,並特別留意牠們共有且獨特的特徵。我們驚訝地發現,希望螈和四足動物冠群(包括所有現生四足動物及其親緣最近的共祖)的親緣關係,似乎比提塔利克魚更為接近。

綜合我們觀察的希望螈骨骼以及系譜樹分析結果,可重建包括人類在內的四足動物其手部基本架構的起源。希望螈胸鰭內認為是四足動物指骨前身的一系列小骨頭顯示,此種骨列的演化最早可回溯至超過3億8000萬年前泥盆紀晚期、初期進化的肉鰭魚鰭內,很有可能是因為在此部位排列有許多小骨頭,使肉鰭魚的鰭得以承受體重,強健的鰭外部產生了向上推起魚體的彈性。

這樣的動作為遠古魚類帶來什麼益處?希望螈的頭部背側有一對稱為呼吸孔(spiracle)的大孔,假設希望螈能在淺水河流和河口等棲地牠用鰭把身體推高,從而讓頭部離開水面,用呼吸孔呼吸新鮮空氣,這種能力可能有益於生存。

不過,希望螈生活圈不一定受限於水域,現今的肺魚和某些鯰魚能用鰭把自己推上陸地一小段時間。希望螈的鰭更強而有力,可能會冒險上岸。

希望螈顯示肺魚和其他肉鰭魚的輻狀軟骨並非完全等同於指骨,只有最遠端的輻狀軟骨才與指骨同源,近端的輻狀軟骨則與腕骨及手掌的長骨同源。並且,希望螈也揭示鰭到肢過渡階段有另一步驟。由於希望螈同時保存了腕骨和指骨以及鰭條,顯示在手部的演化中,鰭條的消失一定發生於不同時期。

希望螈胸鰭和指骨的內部構造顯示,我們仍需微調對於啟動其演化的基因和發育機制的了解。儘管如此,透過完整骨骼的保存和進一步的研究,這具希望螈標本似乎能解開鰭如何演化成肢的謎團,從而了解脊椎動物如何稱霸陸地。(摘錄)

本文取自《科學人》雜誌2020年9月號,更多的內容歡迎閱讀《科學人》雜誌。相關訊息網址:sa.ylib.com




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