最早的四肢動物，是如何在水陸之間切換的？

研究人員發現，儘管早期四足動物仍具有水生特徵，它們也具有一定的陸地行走能力。

肱骨形狀進化的三個主要階段：從水生魚類的塊狀肱骨（左），到過渡性四足動物的L形肱骨（中），再到陸生四足動物的扭曲肱骨（右）。上圖：滅絕的動物剪影；中圖：3D肱骨化石；下圖：用於量化形狀的標誌。

水生到陸生的轉變是脊椎動物進化中最重要轉變之一。但四足動物是何時從水中過渡到陸地，又是如何過渡的？至今還是未解之謎。

在11月25日在《自然》雜誌發表的一篇論文中，哈佛大學的科學家們利用高解析度的化石數據解決了這些問題。

他們的結果表明，儘管早期四足動物仍具有水生特徵，它們也具有一定的陸地移動能力。

在這項研究中，科學家們研究了哈佛比較動物學博物館收藏的40個來自世界各地已滅絕動物的肱骨化石（上臂骨）三維模型。這些化石覆蓋了從水中到陸地的過渡時期，能夠較好地展現從完全水生魚類到完全陸生四足動物的整個過程。

之所以研究肱骨，不僅是因為它在化石記錄中數量豐富、保存完好，還因為它存在於所有肉鰭魚類中。

從水生魚類到陸生四足動物的進化路徑和肱骨形狀變化。

通訊作者、哈佛大學比較動物學博物館古脊椎動物館館長Stephanie Pierce說：「當四足動物從功能齊全的魚類轉變為完全陸生的四足動物時，肱骨會攜帶很強的功能信號，我們可以利用這一點來預測四足動物是何時開始進行陸地移動的。結果發現，幾乎在進化出四肢的同時，陸生能力就產生了。」

1944年，古生物學家George Gaylord Simpson提出了「適應性景觀」的概念。在崎嶇不平的三維表面上，高度的增加代表著更好的功能表現和適應能力，隨著時間推移，自然選擇會驅使種群向高處攀升，接近適應性頂點。

研究人員認為，在水陸過渡中，隨著肱骨形狀的改變，適應性景觀也會隨之改變。

「我們可以利用適應性景觀，看看早期四足動物的肱骨形狀是更適應在水中活動還是在陸地活動，」Pierce說，「最早四足動物的肱骨具有獨特的功能特徵組合，它們聚集在陸地景觀的底部，這表明它們的陸地移動能力有所提升，但當時這一能力還非常有限。」

研究人員認為，陸地移動能力可能是由於其他特徵的發展而被限制，比如水中進食。一旦四足動物擺脫了這種束縛，它們的肱骨就可以自由地進化形態和功能，從而增強四肢的運動能力，並最終入侵陸地生態系統。

Dickson說：「我們的研究第一次通過定量、高解析度的視角，了解了陸地運動能力在水陸過渡時期的演化歷程。我們還可以預測何時、如何發生這種轉變，以及在這種轉變中哪些功能最為重要。」

接下來，研究人員將進一步探索四足動物骨骼的其他部分以驗證其他假設，比如，有人認為，在後肢出現之前，前肢已經具備了陸生能力。

（部分圖片來源於網絡）

◎編譯 | 花花

◎審稿 | 西莫

◎責編 | 陳之涵

◎期刊來源 | 《自然》

◎期刊編號| 0028-0836

◎原文連結：

https://phys.org/news/2020-11-water-to-land-transition-early-tetrapods.html

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