人类的手指为什么恰好是五根,而不是四根 zt
我们中国人对五根手指早已司空见惯,甚至因此形成了偏爱“五”的文化传统,比如阴阳五行、春秋五霸,事实上春秋并不只有五霸,但选出五个似乎更好听些。此外,我们还有五岳、五经、五脏、五谷杂粮、五音不全、五湖四海、五体投地等词语,随处可见“五”的影响。
可是为什么人类恰巧是五根手指,而不是四根或者六根,或者更多呢?这个简单的数字背后,难道隐藏着什么神秘的进化逻辑吗?
人类的手指为什么会有五根
人类只是灵长类动物的一个代表。与人类相同,其他灵长类动物同样也都是五根手指。事实上灵长类动物的五根手指也并非特例。其他哺乳动物虽然没有分出手脚,但四肢末端大多同样是五个分支,统称为五趾型附肢,只有部分动物例外。为了简洁起见,我们在讨论时不分手指和脚趾,统统称为五趾结构。大量脊椎动物都保持着五趾结构,灵长类的五根手指,只是五趾结构的延续。所以,与其问人类为什么会有五根手指,不如问脊椎动物为什么会保持五趾结构。
这看似是一个简单的问题,却是一个重大谜团。自然界可供选择的数字很多,没有任何法律规定长了四个脚趾将会被杀掉,那么为什么许多动物都会保持五趾结构?
从化石证据来看,三亿多年前的两栖动物就已经出现了五趾结构。同时存在的原始动物,比如棘龙有八根趾骨,鱼龙有七根趾骨,它们主要在水中生活。这说明五趾是脊椎动物从水生向陆生进化的重要节点。从那以后,这个世界就出现了大量长着五根脚趾的动物,它们可能是两栖动物,也可能是爬行动物,或者是鸟类和哺乳动物。
(棘龙)
毫无疑问,要想在陆地上方便地活动,就需要用四肢支撑起身体,四肢不能太粗,也不能太细。太粗超出实际需要,就是浪费;太细不足以支撑身体,就是废物。合适的四肢应该在粗细之间寻找平衡。
有了合适的四肢,还需要合适的趾骨,而趾骨必然受到四肢的约束。简单的逻辑是,所有趾骨都必须长在四肢末端,就像一根粗壮的树枝分出细小的树杈一样,细小的枝杈只能在大树枝的基础上发育,它们不能比主干还粗。趾骨也一样,它们的总体数量与粗细程度,必须符合实际需要,并受到四肢粗细的制约,问题是几个趾骨才是合适的数字呢。自然选择给出的答案是:五个。几乎所有脊椎动物都遵循这一原则,灵长类亦然。
任何事情都有例外,趾骨的数量也一样。比如鸟类的趾骨出现了合并现象,一般是三趾向前,一趾向后,只剩下了四趾;鸵鸟的合并更进一步,只剩下了三根脚趾;有的种类甚至只保留了两根脚趾,比如猪属于偶蹄类动物,顾名思义,就是只有一对脚趾。也有的动物在增加趾骨,比如熊猫就有六个手指,可以更好地握住竹子以方便咀嚼。
五趾结构:在支撑身体与灵活程度之间取得平衡
现在科学家认为,五趾动物的祖先之所以登陆成功,是因为五趾在支撑身体与灵活程度之间达到了平衡。
直白地说,既然来到地面生活,趾骨就应该有能力支撑起身体,这是最基本的要求,而支撑能力与趾骨数量密切相关。四肢分化的趾骨越少,趾骨也就越粗;趾骨数量越多,趾骨就越细。进一步的,趾骨越粗,支撑能力就越强;而趾骨越细,灵活性也就越高。
所以,我们可以在陆生哺乳动物中发现这样一种趋势——体型越大,趾骨数量就越少,因为它们需要强大的支撑能力。虽然马的体型不如水牛与河马的,但马的奔跑速度更快,对趾骨的冲击力更强,所以马只保留了一根粗壮的趾骨,其余的趾骨全部退化。
水牛与河马虽然体型巨大,但是行动缓慢,河马甚至有很长时间都待在水里,大大减轻了对趾骨的压力,所以两根趾骨也足以支撑,这是它们成为偶蹄动物的主要原因。
从本质上来看,人类其实是奇蹄动物
人的体重当然不如大象的,但人类采用了一种奇特的行走方式——直立行走,体重全部由双腿承担,压力比四足动物增加一倍。按照这个逻辑,以成年男性平均体重七十公斤为例,应该采用与体重一百四十公斤的动物相同的趾骨结构才对,那大致相当于野猪的体重,而野猪是偶蹄动物。也就是说,正常情况下,人类本来应该只有两个脚趾。
但是且慢,人类面临的麻烦并不只有体重,还有长途奔跑的挑战。在所有哺乳动物中,人类的长跑能力可谓出类拔萃,甚至可以与马一较高下,英国每年都要举办一场人与马的长跑比赛。体重是制约长跑的重要因素,我们从来不会看到飞奔的大象,它们多数情况下都在慢慢行走,因为体重太重,四肢很难承受奔跑的冲击。人类体型适中,可以长途奔跑,但对脚的要求同样很高,脚趾应该更加粗壮才行,甚至比偶蹄动物还要粗壮。比偶蹄动物脚趾粗壮的只有奇蹄动物,难道人类应该和马一样采用相同的趾骨结构吗?
你没有看错,事实正是这样。从本质上来看,人类其实是奇蹄动物。我们的双腿并不依靠脚趾支撑,那五个笨拙的脚趾已经处于退化的边缘,小脚趾甚至都快要消失了。很少有人用脚趾弹钢琴,因为脚趾的灵活性已经大幅降低,只剩下维持平衡的功能。支撑体重与承受奔跑冲击力的重任,其实落在了脚后跟和脚掌上。只要看看脚后跟的粗细,你就会立刻明白,那简直就相当于马的蹄子。
如果人长出六根手指
科学家发现,有一种重要的基因控制着身体的发育进程,那就是Hox基因,它决定了各种器官的定位和排序,其中有一部分基因掌管着五趾发育,姑且称之为五趾基因。共有五个五趾基因分别控制五个手指和脚趾,这五个基因之间存在微小的差别,导致了五趾大小不同。因为只有五个明确的基因编码区域,所以只能产生五个趾骨,而不是更多。如果不小心多了一份基因拷贝,只是简单复制了附近的趾骨基因,外在的表现就是多趾症,就会多一个趾骨。万一五趾基因发生突变,当然可以产生新的趾骨结构,但是同时也将对胚胎发育造成致命的影响,因为五趾基因还控制着其他发育环节。就像外卖小哥的车篓里已经整齐摆放了好几份外卖,如果非要再放一盒进去,就可能导致所有饭盒全部变形。这种同一个基因控制不同效果的现象,就叫作基因多重效应。
在胚胎发育过程中,从神经胚形成直到完成体节发育这一阶段至关重要,因为在这一阶段将要决定个体长成什么样子,科学家称之为系统发育阶段。研究发现,制约趾骨数量的五趾基因在这一时期相对活跃。在系统发育阶段,身体各部分之间存在强烈的互相诱导信号,即各组织与器官通过互相发送激素信号表明自己的状态。某一器官的发育状态将会影响其他器官的发育状态,这就是互相诱导。这种连锁诱导机制将胚胎连成了一个动态的整体,任何一个部分都不能出现错误,否则就会引发连锁错误,最后形成畸胎。就像在黑夜里行军的部队,彼此没有手机,也不能说话,只能靠拍巴掌保持整体队形,一旦某个人的位置错了,就会影响其他人的位置发生错误。错误不断放大,最终会导致整个队伍崩溃。
为了保证发育过程不出问题,最优秀的策略就是按照此前正确的发育步骤来。五个趾骨就属于被反复探索过的正确的发育进程,是一个相对成功的安全策略。一旦这个发育策略被改变,系统发育就会出现连锁反应。所以,趾骨数量的多少不仅仅是数字的增减问题,而是一个涉及身体发育的系统性的问题。有一种疾病叫作手足生殖器综合征,即手足发育与生殖器发育连锁。一旦手足出现畸形,生殖器也同样出现畸形。既然手足发育与生殖器发育有关,当然不能轻易突变,否则将造成比阳痿还要严重的后果。这只是我们知道的连锁关系,未知的连锁关系可能更加复杂,一旦被破坏,后果也更加可怕。所以,五趾基因不能随意突变。
我们可以看出,基因多重效应是保护复杂机体正确发育的重要机制,一旦发育错误,就会导致死亡,这是一种自我约束系统,除了推广正确的发育机制,还能确保这个世界不会出现我们无法理解的奇异动物,这就是五趾结构可以一直保持到现在的根本原因。
为什么会有六趾的青蛙
东南亚有一种六趾蛙,它的六趾是真正的六趾,并非用骨质增生冒充。六趾蛙不像普通的青蛙那样以捕捉昆虫为生,而主要以植物的花朵与果实为食。这种趾骨结构在某种程度上削弱了跳跃能力,不过并不影响觅食效率,多一根趾骨反倒更方便游泳。但问题是,它们为什么不担心基因多重效应的影响呢?
根本原因是,青蛙是从水生动物向陆生动物转变的先行者,这种转变进程至今没有彻底完成,它们仍然是两栖动物。两栖动物的意思是,它们既需要游泳,又需要在陆地上行走,所以多一根趾骨或者少一根趾骨,似乎都有一定的好处。青蛙正是采取了某种折中策略,有四根趾骨,也有五根趾骨,还有六根趾骨,关键是它们该如何回避基因多重效应的制约。
这与两栖动物独特的发育机制有关,它们在肢体发育阶段具有很强的自我组织能力,四肢发育相对独立,不与其他器官产生明显的互动,肢体发育的波动不会影响系统发育,基因的多重效应因此大为减弱。正因为这一特征,青蛙是移植器官的良好实验对象,科学家甚至可以让青蛙的头部长出腿来,但用哺乳动物来做这一实验就很难成功。也就是说,两栖动物的肢体发育比哺乳动物的具有更大的弹性,所以我们才有机会见到六趾的青蛙。
为什么很少出现四趾
对人类来说,与六趾相比,四趾更为少见。医学调查发现,趾骨减少症的发生率只有万分之六,远远低于多趾症的发生率。这是一个奇怪的现象,按照一般逻辑,丢失某种东西要比得到某种东西容易得多,就像丢失钱包容易,但找回钱包很难一样。趾骨基因却很难丢失,这从另一个侧面证明了控制趾骨发育的基因异常重要,丢失造成的损害要大于增加造成的损害,那其实是基因多重效应的另一种表现形式。
对于穿行在树冠中的灵长类动物来说,五趾结构更是有着不可替代的优势。一方面,五趾结构可以牢牢地抓住树枝,特别是大拇指与其他手指对握,这种抓握能力是其他哺乳动物都没有的。你不可能指望一匹马爬上树去,然后在树冠之间来回游荡,它们的五趾已经退化到只剩一趾,无论如何也没法完成如此高难度的抓握动作。所以,五趾结构是保证灵长类树居生活的前提。另一方面,五根手指还可以灵活地摘取树梢上的果实。
如果只有两根或者三根手指,摘取果实的能力就要大打折扣,可见五根手指是在力量与灵活性之间取得平衡的结果。如果是六指,则力量太弱;如果是四指,则灵活性不足。只有五根手指,才是最完美的设计。试图违背这一原则的灵长类动物,要么容易跌下树摔死,要么因为摘取果实时灵活性不足而饿死,它们用自己的死亡淘汰了所有非五趾的结构,人类只不过是顺应了自然的潮流而已。
由此可见,人类的五指并非偶然的发明,而是自然选择的必然结果。
以上内容选自《生命的色彩:我们为什么没有绿色的头发》