最早的四肢动物,是如何在水陆之间切换的?

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研究人员发现,尽管早期四足动物仍具有水生特征,它们也具有一定的陆地行走能力。

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肱骨形状进化的三个主要阶段:从水生鱼类的块状肱骨(左),到过渡性四足动物的L形肱骨(中),再到陆生四足动物的扭曲肱骨(右)。上图:灭绝的动物剪影;中图:3D肱骨化石;下图:用于量化形状的标志。

水生到陆生的转变是脊椎动物进化中最重要转变之一。但四足动物是何时从水中过渡到陆地,又是如何过渡的?至今还是未解之谜。

在11月25日在《自然》杂志发表的一篇论文中,哈佛大学的科学家们利用高分辨率的化石数据解决了这些问题。

他们的结果表明,尽管早期四足动物仍具有水生特征,它们也具有一定的陆地移动能力。

在这项研究中,科学家们研究了哈佛比较动物学博物馆收藏的40个来自世界各地已灭绝动物的肱骨化石(上臂骨)三维模型。这些化石覆盖了从水中到陆地的过渡时期,能够较好地展现从完全水生鱼类到完全陆生四足动物的整个过程。

之所以研究肱骨,不仅是因为它在化石记录中数量丰富、保存完好,还因为它存在于所有肉鳍鱼类中。

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从水生鱼类到陆生四足动物的进化路径和肱骨形状变化。

通讯作者、哈佛大学比较动物学博物馆古脊椎动物馆馆长Stephanie Pierce说:“当四足动物从功能齐全的鱼类转变为完全陆生的四足动物时,肱骨会携带很强的功能信号,我们可以利用这一点来预测四足动物是何时开始进行陆地移动的。结果发现,几乎在进化出四肢的同时,陆生能力就产生了。”

1944年,古生物学家George Gaylord Simpson提出了“适应性景观”的概念。在崎岖不平的三维表面上,高度的增加代表着更好的功能表现和适应能力,随着时间推移,自然选择会驱使种群向高处攀升,接近适应性顶点。

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研究人员认为,在水陆过渡中,随着肱骨形状的改变,适应性景观也会随之改变。

“我们可以利用适应性景观,看看早期四足动物的肱骨形状是更适应在水中活动还是在陆地活动,”Pierce说,“最早四足动物的肱骨具有独特的功能特征组合,它们聚集在陆地景观的底部,这表明它们的陆地移动能力有所提升,但当时这一能力还非常有限。”

研究人员认为,陆地移动能力可能是由于其他特征的发展而被限制,比如水中进食。一旦四足动物摆脱了这种束缚,它们的肱骨就可以自由地进化形态和功能,从而增强四肢的运动能力,并最终入侵陆地生态系统。

Dickson说:“我们的研究第一次通过定量、高分辨率的视角,了解了陆地运动能力在水陆过渡时期的演化历程。我们还可以预测何时、如何发生这种转变,以及在这种转变中哪些功能最为重要。”

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接下来,研究人员将进一步探索四足动物骨骼的其他部分以验证其他假设,比如,有人认为,在后肢出现之前,前肢已经具备了陆生能力。500

(部分图片来源于网络)

◎编译 | 花花

◎审稿 | 西莫

◎责编 | 陈之涵

◎期刊来源 | 《自然》 

◎期刊编号|  0028-0836

◎原文链接:

https://phys.org/news/2020-11-water-to-land-transition-early-tetrapods.html

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