哈佛大学 展示在菲尔德自然历史博物馆的早期非哺乳动物突触(与古哺乳动物相关)恐龙骨骼照片
信用:肯·安吉尔奇克 脊椎是哺乳动物运动的瑞士军刀
它可以以各种方式发挥作用，使活着的哺乳动物的动作具有显著的多样性
它们能跑、能游、能爬、能飞，这在一定程度上归功于它们脊椎的广泛重组，这发生在大约3.2亿年的进化过程中
打开任何一本解剖学教科书，你都会发现一个长期存在的假设，即哺乳动物脊柱的进化，它具有独特的矢状(上下)运动能力，是从一个功能类似于活着的爬行动物的脊柱进化而来的，爬行动物横向(左右)运动
这种所谓的“侧向到矢状”的转变完全是基于非哺乳动物突触(哺乳动物灭绝的前身)和现代蜥蜴之间的表面相似性
在3月2日发表在《当代生物学》上的一篇论文中，哈佛大学领导的一组研究人员通过测量现存和灭绝的羊膜动物(爬行动物、哺乳动物和它们灭绝的亲戚)的广泛样本的脊椎形状，挑战了“横向到矢状”假说
他们使用尖端技术绘制了形状进化变化对脊柱功能的影响，并表明非哺乳动物突触以一种独特的方式移动它们的脊柱，这种方式与任何活着的动物都有很大不同
该团队由第一作者卡特里娜·E
哈佛大学生物与进化生物学系前博士后研究员琼斯发现，虽然在哺乳动物进化过程中矢状弯曲的程度确实增加了，但最早突触的脊椎是为刚度而优化的，向哺乳动物的进化过渡不包括爬行动物般的侧向弯曲阶段
相反，他们发现现代蜥蜴和其他爬行动物具有独特的脊柱形态和功能，并不代表祖先的运动，而且哺乳动物的最早祖先并不像科学家之前假设的那样像蜥蜴一样活动
资深作者斯蒂芬妮·皮尔斯(Stephanie Pierce)说:“长期以来，人们一直认为哺乳动物进化过程中存在直接从侧向弯曲到矢状弯曲的转变，这种想法太简单了。”
卡博特，哈佛大学生物与进化生物学系副教授，比较动物学博物馆古脊椎动物馆长
“蜥蜴和哺乳动物在几百万年前就已经分道扬镳了，它们各自走了自己的进化之路
我们表明，活着的蜥蜴并不代表任何种类的祖先形态或功能，而这两个群体在很久以前是有共同之处的
" 合著者肯·安吉尔奇克(Ken Angielczyk)同意这一观点，他是自然历史野外博物馆内古哺乳动物综合研究中心的麦克阿瑟馆长，“爬行动物进化的时间和哺乳动物一样长，正因为如此，爬行动物的变化和专门化积累的时间也一样多
如果你看看现代蜥蜴或鳄鱼的椎骨，它们的椎骨实际上与3亿年前生活在同一时期的哺乳动物和爬行动物的早期祖先非常不同
随着进化时间的推移，活着的哺乳动物和爬行动物都积累了自己的一套专长
" 琼斯和合著者，包括前哈佛研究生布莱克·迪克森博士
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20，开始于测量一系列爬行动物、哺乳动物、蝾螈和一些化石非哺乳动物突触的椎骨形状
标本来自世界各地的博物馆收藏，现代动物骨骼主要来自比较动物学博物馆(MCZ)，突触化石来自MCZ、菲尔德自然历史博物馆以及美国、欧洲和南非的其他博物馆
“我们首先必须量化椎骨的形状，这实际上有点棘手，”琼斯说
“每个脊柱由多个椎骨组成，当你有不同数量的椎骨时，它们的形状和功能可能会以不同的方式分开
" 一个
侧向到矢状:比较蜥蜴和哺乳动物背部运动的插图，前者主要使用侧向(侧向)运动，后者在跑步时使用矢状(上下)运动
斯蒂芬妮·史密斯插图
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海桐花难题:灭绝的哺乳动物先驱海桐花的生命重建，展示了脊椎是如何随着进化时间拼凑起来的
插图文案四月尼安德
信用:1
斯蒂芬妮·史密斯插图
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四月尼安德插图
他们从每根脊柱的相同位置选择了五块椎骨，并测量了它们在不同动物身上的三维形状
结果从数量上表明，非哺乳动物的突触椎骨与现代哺乳动物的椎骨非常不同，尤其是与蜥蜴和其他爬行动物的椎骨
接下来，研究人员使用他们以前工作的数据来研究椎骨是如何发挥作用的，这些数据将活蜥蜴和哺乳动物的椎骨形状与椎骨运动程度进行了比较，从而提供了形状和功能之间的重要联系
这些数据使研究人员能够绘制包括化石在内的广泛动物样本的脊椎功能变化图，这使他们能够重建描述每组动物功能特征的精确组合
“我们团队的数据分析方法令人兴奋，因为它可以揭示不同的脊柱形状如何导致不同的功能权衡，”皮尔斯说
例如，爬行动物非常擅长侧向弯曲，但不能像哺乳动物一样上下移动脊柱
“除了侧向和矢状弯曲，我们还检查了脊柱的其他功能，然后确定了哺乳动物、爬行动物和非哺乳动物突触的最佳权衡组合，”皮尔斯说
“我们能够证明，非哺乳动物突触在它们的脊椎中具有与现存爬行动物和哺乳动物不同的功能组合，”琼斯说，“在进化过程中，它们不仅仅是从爬行动物状的侧面弯曲到哺乳动物状的矢状弯曲，它们实际上是在一条完全不同的路径上，从一种独立的状态进化而来
" “历史预期是，哺乳动物的突触祖先会做出与现代爬行动物相同的权衡
但事实证明，他们有一套完全不同的权衡，”安吉尔奇克说
“认为爬行动物会保留3.2亿年前存在的祖先运动模式的期望太简单了
" 结果表明，非哺乳动物突触的脊椎实际上相当僵硬，完全不像蜥蜴那样在横向上非常顺从
此外，在哺乳动物的进化过程中，新的功能被添加到这个僵硬的祖先基础上，包括后背部的矢状弯曲和前部的扭曲
这些新功能的增加对构建功能多样的哺乳动物脊柱至关重要，使现代哺乳动物跑得非常快，并旋转它们的脊柱来梳理它们的毛发
皮尔斯说:“通过严格分析化石记录，我们能够拒绝简单的从侧面到矢状面的假说，这是一个更加复杂和有趣的进化故事。”
“我们现在揭示了独特哺乳动物脊椎形成的进化途径
" 这项研究是一系列正在进行的哺乳动物脊椎进化项目的一部分，将它的发展、形态、功能和进化拼凑在一起
“我们仍然没有完整的故事，”琼斯说，“但我们越来越接近了
" 研究人员现在使用椎骨的三维模型来理解哺乳动物的祖先是如何移动的
“我们现在正在用计算机辅助设计辅助的三维模型测试我们以前的研究，”琼斯说
“到目前为止，它运行得很好，似乎支持我们在本文中的发现
"
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