哈佛大学的科学家重建了早期四足动物从鳍到肢的改变游戏规则的进化

空中的景象描绘了两个泥盆纪晚期的四足动物（Ichthyostega和Acanthostega）从水里出来在陆地上移动。脚印在动物身后，显示出动感。

很难说出大约3.9亿年前脊椎动物首次从水里升起并移动到岸上时，改变游戏规则的程度。这一转变导致了恐龙和当今存在的所有陆生动物的崛起。

“能够在陆地上走动实质上为所有生物多样性和建立现代陆地生态系统奠定了基础，”比较动物学博物馆的托马斯·D·卡博特生物与进化生物学副教授，脊椎动物古生物学的策展人斯蒂芬妮·皮尔斯说。“它代表了进化史上一个极其重要的时期。”

超过一个世纪以来，科学家一直在努力弄清楚这种显着变化是如何发生的，他们对这一过程的理解很大程度上是基于一些稀有的，完整的化石，它们之间存在解剖学间隙。Pierce和Blake Dickson博士的一项新研究。’20希望通过将单个骨骼（肱骨）置零来提供更透彻的视野。

这项发表在《自然》杂志上的研究表明，第一批陆地探险家如何以及何时成为比游泳者更好的步行者。该分析涵盖了从鳍到肢的过渡，并重建了早期四足动物的地面运动演化。这些是四足陆生脊椎动物，其后代包括已灭绝的和活着的两栖动物，爬行动物和哺乳动物。

研究人员专注于肱骨，即上臂的长骨从肩膀向下延伸，并与肘部的下臂连接，以避开保存完好的化石之间的缝隙难题。从功能上来说，肱骨对于运动非常重要，因为它拥有吸收四足运动所承受的大部分压力的关键肌肉。最重要的是，骨骼存在于所有四足动物及其进化的鱼类中，并且在整个化石记录中非常普遍。研究人员说，骨骼代表了一个时间胶囊，通过它可以重建运动的演变，因为可以在鳍到肢的过渡过程中对其进行检查。

迪克森说：“我们的想法是，肱骨应该能够告诉我们有关运动的功能演变，这是因为您不再只是一条游动的鱼，而是到陆地上并开始行走。”

研究人员分析了40种3D化石肱骨，以进行研究，其中包括剑桥大学合作者在TW：eed项目中收集的新化石。研究小组研究了骨骼随着时间的变化以及它们对这些生物可能移动的影响。

来自水生鱼类（Eusthenopteron），过渡四足动物（Acanthostega）和陆生四足动物（Ophiacodon）的化石肱骨。

分析涵盖了从水生鱼类到陆生四足动物的过渡。它包括一个四脚体的中间群体，这些四脚体具有以前未知的运动能力。研究人员发现，这一中间群体的肢体出现与陆上过渡相吻合，但是这些早期的四足动物并不擅长在陆上移动。

为了理解这一点，团队测量了与适应不同环境相关的功能权衡。他们发现，随着这些生物从水移动到陆地，肱骨的形状发生了变化，从而产生了新的功能性特征组合，这些特征被证明比陆地上的生命更有利于陆地上的生命。

这对研究人员来说是有道理的。迪克森说：“你不可能在所有事情上都擅长。”“你必须放弃一些东西，从变成鱼到变成陆地上的四足动物。”

研究人员在地形图上捕获了这些变化，显示了这些早期的四足动物相对于水基或陆基生物而言所处的位置。科学家们说，这些变化很可能是由于环境压力所致，因为这些生物适应了陆地生命。

该论文将过渡四足动物描述为具有“ L形”肱骨，这为在陆地上移动提供了一些功能上的好处，但数量不多。这些动物还有很长的路要走，要发展出必要的特征，以使它们的四肢在陆地上轻松自如地移动。

随着肱骨形状的不断变化，四足动物改善了它们的运动。“ L”形肱骨转变为更健壮，更细长，更扭曲的形式，从而带来了新的功能性特征组合。这一变化使陆地上的步态更加有效，并有助于引发生物多样性并扩展到陆地生态系统。它还帮助建立了以今天仍可见的食肉动物，猎物，食草动物和食肉动物为基础的复杂食物链。

分析花费了大约四年的时间才能完成。在超级计算机上，量化肱骨如何改变形状和功能需要花费数千个小时。然后，研究人员分析了这些变化如何影响运动过程中肢体的功能表现以及相关的取舍。

创新的方法代表了一种查看和分析化石记录的新方法-皮尔斯（Pierce）认为这是值得的。

皮尔斯说：“这项研究表明，从化石记录中记录的一小部分动物骨骼中，您可以获得多少信息，以及它如何帮助揭示有史以来最大的进化转变之一。”“这真的是最前沿的东西。”

有关此研究的更多信息，请阅读《从鳍到肢体，从水到土地》：早期四足动物的陆地运动的演变。

参考：Blake V. Dickson，Jennifer A. Clack，Timothy R. Smithson和Stephanie E. Pierce撰写的“功能适应性景观预测了肢体起源处的陆地容量”，2020年11月25日。自然。DOI：
10.1038 / s41586-020-2974-5

这项研究得到了哈佛大学比较动物学博物馆，罗伯特·查普曼奖学金和自然环境研究委员会的资助。