一隻四足機器人揭開了3億年前的謎題:早期陸生動物是怎麼走路的?

每個肢體由五個驅動關節組成，而脊柱有八個驅動關節，使其可以前後彎曲。來源：NYAKATURA ET AL./NATURE

大約在3億年前，一種名叫Orobates pabsti的奇怪生物走上了陸地，那時候動物們才剛剛開始從水裡爬出來探索這個又大又乾燥的陸地世界，這就是以植物為食、用四條腿行走四足獸Orobates。古生物學家之所以知道Orobates以四足行走是因為他們發現了一塊保存得非常完好的化石擁有四條腿，而且更幸運的是，科學家們還發現了與之匹配的足跡化石。

有一種假設認為，Orobates——脊椎動物譜系(包括今天的哺乳動物和爬行動物)的近親——以及其他早期四足動物當時還沒有進化出一種「高級」的步態，而是像蠑螈一樣拖著自己的身體前進。但是現在，在《自然》雜誌上發表的一篇多學科論文中，研究人員詳細描述了他們是如何將古生物學、生物力學、計算機模擬、動物活體演示，甚至是Orobates機器人結合在一起，來確定這種古代生物的行走方式可能比我們此前認為的要先進得多。這對理解陸地上的動物運動是如何進化的有很大的影響，對科學家們如何研究各種滅絕動物的活動方式也有更深遠的影響。

單獨來看，化石骨骼或化石足跡並不足以預測動物是如何運動的。這篇新論文的合著者、皇家獸醫學院的生物力學家約翰·哈欽森說：「這些腳印只告訴了你它們的腳當時在做什麼，但是腳的關節有很多自由度，或者說關節可以以不同的方式運動。」畢竟就算是有共同解剖結構的兩個人也可以在使用同樣設備的前提下通過很多不同的愚蠢方式走路。

如果沒有這些腳印，研究人員就無法很有信心地判斷化石骨骼是如何移動的，而如果沒有骨架，他們就不能完全解析腳印。但有了這兩種東西，他們可以計算出Orobates的數百種可能步態，從低級的臭鼬拖腹姿勢到高級的鱷魚在陸地上奔跑的姿勢。

然後他們使用計算機模擬來擺弄這些參數，比如動物移動時脊椎前後彎曲的程度。哈欽森說：「這個模擬基本上告訴了我們動物所受到的力，並給了我們一些關於這些動物力學可能是怎樣整體工作的估計。」

你可以通過團隊這種奇妙的互動來親自擺弄這些參數。

三維圖形中的點是可能的步態。藍點得分高，紅點得分低。雙擊其中一個，你將在下面看到模擬的特定步態。你會注意到這些紅點讓步態看起來有點笨拙。然而，深藍色的圓點看起來更適合四足動物移動。在底部你會看到現存物種的視頻，比如鬣蜥和凱門鱷(一種小型鱷魚)。正是對這些物種的觀察幫助研究人員確定了哪些生物力學因素對於行走來說是重要的，比如脊椎彎曲的程度。

其他一些參數：左邊的滑塊讓你可以隨意調整出力效率。把它滑到右邊，你會發現好的藍點消失了。

不過，這就是事情變得棘手的地方。當然，出力效率是生存的關鍵，但它不是生物力學中的唯一限制。柏林洪堡大學的進化生物學家John Nyakatura是這篇論文的第一作者，他說：「並不是所有的動物都會優化能源，尤其是那些只會短暫運動的物種。顯然，對於需要長途旅行的物種來說，能源效率是非常重要的。但對其他物種來說，這可能就不那麼重要了。」

另一個因素是所謂的骨碰撞，當你把骨骼化石放在一起的時候，你不知道這些關節周圍有多少軟骨，因為那些東西早已腐爛了。而不同種類的動物會有不同數量的軟骨。

對於Orobates來說，這是一個很大的未知數。在模擬互動中，你可以用左邊的滑塊調節骨碰撞程度。哈欽森說：「你可以讓骨頭自由地碰撞，也可以只是輕輕地碰觸。或者你可以把它調到4級，即不允許骨碰撞，也就是說關節之間必須有足夠的空間。」注意這種調整會怎樣改變圖中的點：你阻止的骨碰撞越多，潛在的步態就越少。「然而，如果你允許很多的碰撞的話，那麼肢體移動的可能性也就更多。」

現在再來說說機器人。研究小組設計的OroBOT機器人與Orobates的解剖結構非常匹配。當然，相比於純粹的生物學來說它是簡化的，但就機器人而言，它仍然相當複雜。每個肢體由五個驅動關節組成(「驅動器」是機器學中對馬達的一種叫法)，而脊柱有八個驅動關節，使其可以前後彎曲。在互動中，你可以用左邊的滑塊來控制脊柱彎曲的程度，看看這對步態的影響有多大。另外，看看凱門鱷的視頻，看看它自己的脊椎在移動時彎曲了多少。

這個模擬的好處在於你可以相對快速地嘗試各種不同的步態，但對於機器人卻不行。「在一個物理平臺上運行太多的實驗是非常耗時並且昂貴的，而且你也可能會破壞這個平臺，」瑞士洛桑聯邦理工學院的機器人專家、合著者卡米洛·梅洛說。運行模擬有助於減少機器人實驗的選項。

「最後我們在機器人身上測試了幾個我們認為相當好的步態，」梅洛補充說。

他們發現，根據骨骼解剖和匹配軌跡，Orobates很可能是直立行走的，更像凱門鱷而不是蠑螈。Nyakatura說：「以前人們認為只有脊椎動物才進化出這種高級的陸地運動方式。但現在我們認為在Orobates中已經出現了這種現象，這說明我們必須假設運動多樣性出現得還要更早一些。」此外，我們從足跡上也得到的一個重要的確認信息：沒有與拖行尾巴相對應的痕跡。

因此，多虧了不同學科的這種令人興奮的融合，研究人員基本上可以復活一個已經死亡很久的物種來確定它可能行走的方式。加州州立大學聖貝納迪諾分校的古生物學家斯圖爾特·蘇米達說：「因為他們把數字建模和機器人技術以及所有這些技術結合在一起來研究這隻動物，所以我們可以非常自信地說，他們已經為這種動物的移動方式提出了合理的設想。」順便說一下，蘇米達對這件事有獨特的見解，在15年前，他從一開始就幫助描述了Orobates。

同時，考慮蘇米達和他的同事在德國的什麼地方發現這個化石也非常重要。大約3億年前，這裡沒有流水，而古生物學家通常依靠的又正正是流水在泥土中保存標本。「這是完全是一個陸地環境，只是偶爾會發生洪水，」蘇米達說，「所以你得到的是一個非常不尋常的快照，這個快照可以幫你了解當時在水外的生命是什麼樣子。」

這樣子的話Orobates的直立步態就有意義了。蘇米達說：「這是一種在陸地上行走非常方便的動物，這也正是地質學所暗示的。」他補充說，這意味著，Orobates和其他早期陸生物種適應環境的速度比我們預期的要快。

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