将海豚的前鳍放入X光机中,你会看到一个惊喜:一条类似人类的弧形指骨。海龟、海豹、海牛和鲸鱼也是如此。所有这些动物都有生活在陆地上的四条腿的祖先。当它们的各种血统适应了水中的生活时,曾经是几个手指的四肢慢慢变成了鳍状肢。
在周三发表在“生物学快报”(Biology Letters)上的一篇论文中,研究人员将19个海洋物种的鳍骨结构与陆地祖先进行了比较,从今天的海豚和海龟,到现已灭绝的生物,比如恐龙时代生活在海洋中的马赛龙和鱼龙。
研究人员发现,大多数,包括大多数仍然活着的动物,都紧扣着最初的蓝图。但一些现已灭绝的生物尝试了更具创造性的策略,以适应后来随着时间的推移而消失的水生生物。
为了比较和对比这组不同动物的鳍状肢,研究人员使用了一种名为网络分析的技术。
长期以来,这种工具在社会科学中一直很受欢迎,用于追踪思想、八卦甚至病毒的传播。纽约理工学院(New York Institute Of Technology)研究员朱莉娅·莫尔纳(Julia Molnar)说,解剖学家正在用它来研究“生物学中最古老、最令人困惑的问题之一:结构和功能之间的进化关系”。莫尔纳也做过类似的工作,但没有参与这篇新论文。
在这项研究中,研究人员想知道一项功能-游泳-是如何激发了许多独特的肢体结构的发展。为了做到这一点,他们需要“比较不能直接比较的东西”,比如海龟的鳍状肢和它来自的五指肢体,阿根廷丘布特市古生物学Egidio Feruglio博物馆的研究员埃万杰洛斯·弗拉霍斯(Evangelos Vlachos)说,他也是这篇论文的作者之一。
网络分析使研究人员能够将每种动物的骨骼鳍结构转化为节点和连接的抽象网络。通过将这个网络与陆栖祖先的类似损坏的肢体结构进行比较,他们可以看到自陆地时代以来,这种生物的哪些骨骼被获得、丢失、融合、连接或以其他方式重新拼接。
研究人员发现,几乎所有的动物都保留了手指。手指通过周围的皮肤和组织相互连接,不能独立移动。Vlachos博士说,这就像是在“婴儿手套”里。
弗拉霍斯博士说,除了企鹅(企鹅的祖先在它们回到水中之前进化出了翅膀)之外,研究中所有活着的水生动物都遵循了这一策略。一些现已灭绝的生物,如蛇颈龙和古代鳄鱼,它们的鳍状肢中也有手指。
鱼龙是个例外,这种厚重的爬行动物在侏罗纪早期统治着海洋。他们的祖先也有手指。但随着时间的推移,它们彼此相连,直到它们不再像一棵多分枝的树,而更像一棵茂密的灌木丛。Vlachos博士说:“他们通过重新整合手指而‘丢失’了手指。”
研究人员下一步想要量化每种生物的鳍状肢离原始设计有多远。因此,他们进一步将网络分解为复杂性和模块性等指标,并绘制了它们的曲线图。
即使在“婴儿连指手套”组中,不同的动物也经历了不同程度的转变。例如,几百万年来,海龟的鳍状肢几乎保持不变,而海牛将它们的一些骨头融合在一起,大多数须鲸失去了一根手指。
不过,总的来说,仍然共享我们海洋的动物并没有太多改变它们的鳍状肢。“他们做实验,”弗拉霍斯博士说。但“他们从未离开过这个舒适区。”
相反,正如预期的那样,鱼龙是异类,与其他研究物种相比,它们的鳍骨更均匀,整合得更好。但是,许多现在已经灭绝的动物仍然保留着它们的手指,它们仍然大幅度地改变了它们的鳍状肢。
例如,一种史前类似鳄鱼的爬行动物有七个手指。被称为龙虾的古代鲸鱼经历了足够多的骨骼融合,它们正缓慢地向企鹅领域进发。
这些生物中有没有哪一种的适应能力最终使它们走上了灭绝的道路?研究人员计划进一步调查。弗拉霍斯博士说,虽然确定原因很复杂,但比较不同适应的极限“可能会给你一些线索”。