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[科技] 解密構造精密的手︰進化源自共有祖先 [14P]

解密構造精密的手︰進化源自共有祖先 [14P]




  多種脊椎動物的前肢——從蛙類到大象、從蝙蝠到人類——都暗藏同樣的解剖學藍圖





  五指連在腕部的一組骨頭上,由兩根骨頭構成的前臂從腕部伸出,引向鄰近肩部、只有一根長骨的上臂。





  寬吻海豚︰海豚是從有蹄類的陸生動物進化而來,于5000萬年前入海生活。祖先的蹄子變成了鰭,使它們化身為游泳高手。




  不同的海豚物種所擁有的鰭各自適應于它們的行動模式︰長而窄的鰭適合高速泳者,而寬短的鰭出現在那些需 要在狹小空間內來去的物種身上。






 家貓︰貓的前爪生著窄而彎曲的爪。







  一般情況下,指頭上端的韌帶會把爪子收在鞘里,獵食的時候,貓用後腿蹬地撲 出,伸開前肢,前掌上下兩面的肌肉收縮,利爪像彈簧刀一樣戳了出來。爪子刺入對方皮肉後,貓把重心移到後腿上 ,用前肢把獵物扯到嘴邊來。

  撰文︰卡爾 • 齊默 CARL ZIMMER

  插畫︰布賴恩 • 克里斯蒂 BRYAN CHRISTIE 翻譯︰王曉波

  手,是心靈與世界相接的地方。我們這些人類用自己的雙手生火、縫被子、開飛機、寫作、挖洞、摘除腫瘤、從帽子里揪出兔子。誠然,是擁有無盡創造力的人類大腦使我們成為獨一無二的物種,但假如沒有手,再妙的念頭也只不過是水月空花。

  我們能用自己的手做如此多的事情,原因在于其美妙構造。皮膚之下,各種組織的精密整合形成了手。光是一根大拇指就要由九塊不同的肌肉控制,它們有的與手內的骨頭緊固相連,有的蜿蜒通入手臂。腕部是“浮動”的一組骨頭和韌帶;其間穿插著血管和神經,分支通入了每一個指尖。手可以發出細微的或強大的力量。制表工匠能在顯微鏡下用雙手把發條擺放到位;同樣是用手,棒球投手能甩出時速160公里的球。

  手是如此非凡,以至於甦格蘭外科醫生查爾斯• 貝爾在1833年專門寫了書頌揚它,即《手︰它的機制與重要天賦特征,設計的明示》。生命進化的觀念當時正開始流行,但信奉神創論的貝爾認為只要認真剖析一下人手,就可以打發這荒誕不經的論調。“手對于生命的適應法則給出了一錘定音的最佳證據,明示著神之造物中的設計。”他寫道。

  貝爾的論斷只有一點毛病︰它沒有解釋為什麼其他的物種也有手。誰都不會唱反調說猩猩前臂末端那五根指頭不算是手,然而對于其他一些種類的生靈,我們要看得更仔細才行。蝙蝠的翅膀看起來似乎只有幾片皮膜,但在那外表之下,它有著與猩猩和人類相同的五根手指,其腕部也連接著同樣的一組骨骼,乃至同樣的前臂長骨。





  蛙︰蛙類已演化出數以千計的物種,它們的手也花樣繁多,各適于不同的行動。





  有的物種生活在水里,於是掌上生蹼 以利於游泳。樹蛙生著長長的指頭,有的指尖進一步增長,適于攀援;它們甚至還進化出微小的黏性吸盤,使其可以 攀附于光滑的表面,比如樹葉。





  蝙蝠︰蝙蝠的翅膀也許看起來只是一層皮,但里面其實也藏著五根手指。其骨骼的作用類似帳篷桿,把膜翅撐開便可鼓蕩風力,使身體升空。





  蝙蝠可以通過調整每一個手指的姿態來控制飛行,左穿右插地飛過森林、懸浮在花朵上吮蜜、一掠穿入巢穴的洞口都不成問題。

  查爾斯•達爾文寫《物種起源》的時候專門論述了這種怪異的巧合。“還有比這更奇特的事嗎?”他發問,“適于抓握的人類之手,擅于挖掘的鼴鼠前爪,還有馬的蹄子,鼠海豚的鰭肢,蝙蝠的翅膀,居然都是按照同樣的模式構造而成的!”

  達爾文對此現象有個直截了當的解答︰我們和蝙蝠等所有長著手的動物都是親戚,而且大家的手都是從一個共有的祖先那里繼承來的。過去150年里,探索手之進化過程的研究者們在每一片大陸上發掘了化石。他們比較了現存各種動物的手部解剖結構,審視了負責手之建構的基因,從中一次又一次地為達爾文的論點找到了實物支持。

  我們的手至少在3.8億年前就開始進化了,起點是魚鰭——不像金魚身上那種縴薄、骨架絲絲縷縷的鰭,而是某種已滅絕的魚類(與今日的肺魚是近親)又粗又壯的鰭。在這種肉嘟嘟的魚鰭內部有幾塊大骨頭,對應著我們手臂中的骨骼。許多年過去,這些遠古動物的後代又演化出若干較小的骨頭,對應我們的腕骨和手指。後來,指頭出現並各自分離,使得在水下植被中穿行的動物能夠抓握借力。

  早期的手比你今日所能見到的任何手(爪)都更加奇形怪狀。有的物種有七根指頭,還有的有八根。但到了3.4億年前、脊椎動物們在干燥的陸地上四處走動的時候,手已經被“修理”回只有五根指頭的樣子。迄今,生物界再也沒有重現當初手指大行其道的盛況——原因何在,科學家們也弄不明白。





  大象的前掌已適應了承受巨大的重量。粗壯的指骨——近期研究顯示還有第六根“假指”,最初是軟骨,但在有些年紀較大的大象當中會發育成骨頭——發揮著柱基石般的作用。





  掌面有脂肪和縴維組織構成的墊,吸收著每一步帶來的沖擊。在前掌砸上地面時,肌腱和韌帶把沖擊的部分能量儲存起來,再在邁下一步時釋放。所以大象走路時就像踩著彈簧。





  指猴︰ 在馬達加斯加的森林中,長長的手指使指猴能夠拿到其他動物手長莫及的食物。它最喜歡的美餐之一是藏在樹里的昆蟲幼體。





  它會用一根特殊構造的手指敲開樹幹,憑借听覺和觸覺感受振動,有時還要加上嗅覺來查知幼蟲的存在。然後它在樹上啃開一個洞。憑借指頭根部的一個球形關節,它能把這根特別的手指以任何角度伸進洞里;指尖的爪子能把幼蟲鉤住並扯出來。

  不過,現存於世的物種當中,手的形態也算得上洋洋大觀了︰從海豚的鰭狀肢到蒼鷹的翅膀,還有像掛鉤一樣的樹懶爪子。科學家們通過研究這些活著的手,使得這種洋洋大觀背後的分子變化機制開始清晰起來——並了解到,所有這些手不論外表多麼不同,起始形態卻都非常近似。手的生成要靠許多個基因“聯網” 運作,而所有的手都是由同樣的基因網絡、以不一樣的運作方式打造而成。有的基因負責塑造腕部,還有的負責加長手指。這些基因中只需發生一星半點的改變,就能讓指頭變得更長,讓有的手指消失,或者把指甲變成利爪。

  打造手的“分子工具箱”的發現,使得科學家們對達爾文的偉大見地有了更深的理解。禿鷲的羽翼和獅子的前掌從外表看再怎麼迥異,其差別歸根結底,也許只是幾處細小的修改︰這種蛋白質在這里多加一點兒,那種蛋白質在那里少放一點兒,如此而已。關于一切手在進化中源自共有祖先這件事,達爾文只能看到它的外在跡象,而今天的科學家正在把生命內部的跡象也揭示出來。
行善為樂好施,助魚為快樂之本。

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