哈佛大学 显示皮肤下前肢骨骼的早期四足步行动物的生命重建
信用:图像版权2021，朱莉娅莫尔纳尔
大约3.9亿年前，当四足动物(四足脊椎动物)开始从水域向陆地移动时，蜥蜴、鸟类、哺乳动物以及今天存在的所有陆地动物，包括人类和一些水生脊椎动物，如鲸鱼和海豚，都开始出现
最早的四足动物起源于泥盆纪的鱼类祖先，其年龄是最古老恐龙化石的两倍多
它们类似于大鲵和鳄鱼的杂交品种，长约1-2米，长有鳃、蹼足和尾鳍，仍然牢牢地绑在水面上
它们的短胳膊和腿每只手和脚上有多达八个手指，它们可能是埋伏的捕食者，潜伏在浅水中等待猎物靠近
科学家们知道鱼的鳍是如何变成四足动物的四肢的，但是关于最早的四足动物在哪里以及如何使用它们的四肢仍然存在争议
尽管提出了许多假说，但很少有研究使用化石记录对它们进行严格的检验
在1月22日发表在《科学进展》上的一篇论文中，一个国际研究小组研究了两种已灭绝的早期四足动物和一种密切相关的鱼类化石的鳍和四肢的骨骼、关节和肌肉的三维数字模型，以揭示鳍进化成四肢时前肢的功能是如何变化的
这项研究由纽约理工学院骨科医学院助理教授朱莉娅·莫尔纳尔和斯蒂芬妮·皮尔斯领导
哈佛大学生物与进化生物学副教授卡博特发现了从鳍到肢的三个不同的功能阶段，这些早期的四足动物有一种非常独特的肌肉杠杆模式，看起来不像鱼鳍或现代四足动物的四肢
为了重建已知最早的四足动物的肢体功能，莫尔纳尔、皮尔斯和合著者约翰·哈钦松(皇家兽医学院)、鲁伊·迪奥戈(霍华德大学)和珍妮弗·克拉克(剑桥大学)首先需要弄清楚化石动物中存在哪些肌肉
这是一项具有挑战性的任务，因为肌肉没有保存在化石中，而且现代鱼鳍的肌肉与四足动物的肌肉完全不同
该团队花了几年时间试图回答这个问题，鳍上的几块简单肌肉到底是如何变成四足动物四肢上几十块执行各种功能的肌肉的？ 皮尔斯说:“确定一个3.6亿年前的化石中存在哪些肌肉需要多年的工作，才能开始构建非常复杂的肌肉骨骼模型。”
“我们需要知道化石动物身上有多少肌肉，它们附着在骨头的什么地方，这样我们就可以测试它们是如何运作的。”
他们建立了鱼鳍的三维肌肉骨骼模型(鱼鳍是一种与生活在大约3.85亿年前拉特泥盆纪的四足动物密切相关的鱼类)和两种早期四足动物的前肢，棘齿鱼(生活在晚泥盆世末期的3.65亿年前)和脚鱼(生活在早石炭纪的3.48-3.47亿年前)
为了比较，他们还建立了类似的活着的鱼(腔棘鱼，肺鱼)的胸鳍和活着的四足动物(蝾螈，蜥蜴)的前肢的模型
为了确定鳍和四肢是如何工作的，研究人员使用了最初用于研究人类运动的计算软件
这种技术最近被用于研究人类祖先以及像恐龙这样的恐龙的运动
雷克斯，但从没见过像早期四足动物那样古老的东西
早期四足步行动物的虚拟骨骼及其前肢肌肉骨骼重建
信用:版权所有2021，朱莉娅莫尔纳尔
通过操纵软件中的模型，研究小组能够测量两个功能特征:关节的最大活动范围和肌肉移动手指或四肢关节的能力
这两项测量将揭示运动系统的权衡，并允许研究人员测试灭绝动物的功能假说
研究小组发现，所有陆地四足动物的前肢都经历了三个不同的功能阶段:类似现代肺鱼的“底栖鱼”阶段，不同于任何灭绝动物的“早期四足”阶段，以及兼具蜥蜴和蝾螈特征的“皇冠四足”阶段
皮尔斯说:“尤斯泰龙身上的鳍有一种模式，让人想起肺鱼，这是四足动物的近亲之一。”
“但是早期四足动物的四肢比鱼类或现代四足动物更相似
" “这也许是最令人惊讶的，”莫尔纳尔说
“我认为蜈蚣，可能还有棘螈，属于现代四足动物的范畴
但它们形成了自己独特的集群，看起来不像现代的四足动物肢体或鱼鳍
他们并不在中间，但他们有自己的特点，可能反映了他们独特的环境和行为
" 结果表明，早期四足动物的四肢更适合于推进而不是负重
在水中，动物用它们的四肢来推动自己前进或后退，让水来支撑它们的体重
然而，在陆地上移动，需要动物克服重力，用四肢向下推动来支撑体重
这并不意味着早期的四足动物不能在陆地上移动，而是它们不能像现代活着的四足动物那样移动
它们的运动方式可能是这些动物所独有的，它们仍然非常依赖于水，但也冒险到陆地上，在那里脊椎动物有很多机会，但很少竞争或害怕食肉动物
皮尔斯说:“这些结果令人兴奋，因为它们独立地支持了我去年发表的一项使用完全不同的化石和方法的研究。”
“这项集中于上臂骨的研究表明，早期的四足动物有一定的陆地活动能力，但它们可能并不擅长这种活动
" 研究人员更接近于重建陆地运动的进化，但是还需要做更多的工作
他们计划下一步制作后肢模型，研究所有的四肢是如何一起工作的
有人认为早期的四足动物用前肢来推进，但是现代的四足动物大部分的推进力来自后肢
莫尔纳尔说:“我们计划寻找从前肢驱动运动向后肢驱动运动转变的任何证据，就像现代四足动物一样。”
将前肢和后肢放在一起观察，可以揭示更多关于从水到陆地的转变，以及四足动物如何最终主宰陆地领域
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