執子之手,與你聊聊手的故事

2020-12-04 中國數字科技館

文/張雨晨

編輯導語:

往期「科學」欄目裡,我們多數時間把目光聚焦在前沿尖端的科學研究上,不過在我們看似庸常的生活裡,也隱藏著一些我們不夠了解的奧秘。本期小編將與大家一起暫別星辰大海,回歸基礎學科,說說人類身體器官的那些趣事。

手,是我們最熟悉的、最常用的身體結構之一。通過雙手製造工具、使用工具的能力也被認為是推動人類演化的一大關鍵因素。那麼,我們的這雙手到底有什麼特殊之處?漫長的自然演化中究竟出現過哪些不同的手?為什麼前肢同樣也解放出來的恐龍沒能發展出智慧?今天,就讓我們來認識一下這對熟悉又陌生的老朋友。

一、伸手不凡

我們看似平凡的手,其實是一個非常精妙複雜的功能系統,堪稱自然演化的精美作品。8塊腕骨、5塊掌骨以及14塊指骨(拇指只有兩節)共同組成了它的基本框架。其中,8塊被醫學界編為五言古體詩——「舟月三角豆,大小頭狀鉤」的腕骨,共同構成了一個靈活的關節面,賦予了雙手靈活轉動的自由。而寬大的手掌與靈活的五指,則源自哺乳動物遠祖的經典手型。

至於連在手上的肌肉,也可以根據所處的位置分為兩類。其中一部分起點及主體都位於小臂的肌肉,其末端的韌帶經過腕部、連接在手骨上。若你將手從書上移開片刻、活動一下手腕,是不是會發現小臂上的肌肉都在彼此配合著收縮舒張呢?除此之外,還有一些分布在手掌內部的小肌肉,它們通過牽引繩一般的韌帶,去拽動手指上一層一層的小關節,參與手部的靈活運動。因此,對於包括人類在內的大部分脊椎動物來說,我們的手指本身幾乎都是沒有肌肉的——倘若你回想一下啃雞爪、鴨掌或者豬蹄的美好記憶,就會發現這些美味之中似乎都沒有多少貨真價實的肉。

不過,人類的雙手也為了這種靈活而付出了結構複雜脆弱的代價。與很多誇張修辭迥然相反的現實是,人類的雙手並非適合戰鬥的「鐵拳」,一言不合後揮拳相嚮導致的指骨骨折在世界各地的急診室中都屢見不鮮。即便是經過專業訓練打熬筋骨的格鬥運動員,在正規比賽中依然要戴上有護指的搏擊拳套。而到了一劍封喉的持械決鬥中,作為離敵人最近並且直接操縱武器的身體部位,手更成了各路劍法「重點關照」的目標。我國的古劍術中,就有不少故意等對方出手後再精確截擊持械手的招式,從而後發制人、以攻止攻。至於歐洲的劍士們,則在手中的利刃上加裝了大型的十字甚至盤花護手,不但一舉廢掉了大部分「剁手」劍招,同時還衍生出了多種利用護手封鎖對方劍路並同時發動防守反擊的「大師之擊」。

在掌管運動的骨骼、肌肉和韌帶之外,手的最外部還有皮膚包裹。在這層柔韌的皮囊下,各式各樣的觸覺感受器以驚人的規模組成了堪比古代軍陣的密集陣列。為了處理如此之多的輸入信息,我們大腦的觸覺皮層中專門為此劃出了面積頗為可觀的投射區域。

為了將難以描述的觸覺進行量化,科學家們玩起了一個「兩點辨別」的把戲。他們用鑷子的兩個尖端同時觸碰受試者的皮膚,通過記錄鑷子尖端之間的距離以及受試者僅憑觸覺獲得的體驗,來測定各處皮膚的「解析度」。也就是說,當鑷子尖端小於一定距離時,實際上只激活了皮膚下單獨一個觸覺感受器,大腦如果僅靠觸覺來判斷,自然也會產生「一個點」的錯覺。只有當刺激距離大於這個最小解析度時,鑷子的兩頭才會分別落在不同感受器的感受野內。如此一來,就能讓大腦產生準確的觸覺判斷。

而我們手上密集排布的感受器以及大腦中對應的投射皮層,則共同為我們帶來了「極致超清」的觸覺體驗。即便是不幸失明的盲人,也能利用演化賦予我們的指尖精細觸覺,通過觸摸來閱讀布萊葉盲文,繼續通過文字享受知識與情感帶來的光明。

有輸入就有輸出。與龐大的輸入相對應的,大腦中負責輸出手部運動信號的皮層也大得不成比例。如此一來,我們的手就可以在敏銳的觸覺反饋下,進行很多非常精細的操作。當我們提筆寫字的時候,指尖的感受器就會把紙筆的觸感傳遞到大腦,並以此來調節手指的力量和角度。這樣,我們才能流暢地寫寫畫畫,而不會力氣太大戳破紙面。實際上,我們與靈長類親戚的雙手,在解剖結構上的差異並沒多麼顯著。人類大腦強大的「後臺運算支持」,才是我們雙手功能碾壓一眾「齊天大聖」的根本原因。

時至今日,從提筆寫字、敲打鍵盤到划動觸屏,我們的生活已經完全離不開雙手精細的觸覺與運動功能。從上百萬年前東非峽谷中的阿舍利石斧到如今的智慧型手機,人類手中的工具經歷了翻天覆地的劇變,但創造它們、使用它們的雙手,卻一直維持著大體相同的結構。

二、白手起家

那麼,第一隻手是什麼時候出現的呢?

對於人類以外的動物來說,「手」並不能算是個嚴謹的科學術語。但如果將其從廣義上理解為「有運動以外功能的前肢」,那麼手的歷史將會久遠得令人驚訝。

早在原生動物時代,變形蟲的偽足就已經有了捕捉包裹獵物的能力。這些微型「百變怪」可以將細胞表面的一部分凸起,並不斷地將細胞質填充進去,從而擴張偽足的範圍,甚至還可以通過這種「拆東牆補西牆」的方式,讓細胞整體完成水銀瀉地一般的流暢移動。

作為原始單細胞生命的後裔,我們這些多細胞生物依然繼承了先祖們變形移動的能力。當然,指望一個細胞分工嚴格、結構複雜的大活人突然「還原」成一攤混沌無形的「修格斯」自然不太可能。不過在我們體內,確實還有一些「到處伸手」的細胞,比如中性粒細胞、巨噬細胞,以及擔任腦細胞「皇家禁衛」的小膠質細胞。這些不需要固守「工位」的免疫細胞可以在防區內遊走巡獵,用偽足吞噬任何闖入的不速之客,保護機體的健康。

當然,在多細胞時代,最早出現的宏觀大型附肢,當屬珊瑚和水母等刺細胞動物們輻射分布在腔腸開口外的捕食觸手。這些看似柔弱無力的「纖纖玉手」,往往密布著帶有劇毒倒鉤的刺細胞,殺傷力遠比看起來要強大。到了節肢動物統治海洋的寒武紀,這些海中新貴們已經將附肢分化出了用於遊泳、爬行、捕食等功能的專用形態。而在其中扮演著「手」這一功能的捕捉足中,又大體出現了三大「門派」。

其中一類走力量路線的捕捉足,成了螃蟹、鰲蝦和蠍子等諸多兇悍獵食者行走江湖的大鉗子。這種由附肢最末一節和倒數第二節突出部組合而成的「傢伙」,可以通過在內部粗暴堆砌大塊的強壯肌肉來獲得驚人的力量,一些大型鰲龍蝦的巨鉗甚至可以將潛水者的手指生生夾斷。當然,這些塞滿鮮甜肌肉的武器,對於人類來說同樣也是令人垂涎的美味佳餚。

至於偏好速度與敏捷的節肢獵手,則形成了彈簧刀一般的摺疊式捕捉足。不管是螳螂、蠍蝽、螳蛉甚至俗名「皮皮蝦」的螳螂蝦,所有因趨同演化而獨立發展出類似武器的獵人,都不約而同地成了精通偽裝潛伏與爆發突襲的「刺客」。其中將速度練到登峰造極的雀尾螳螂蝦,更是進入了「重劍無鋒」的境界。它們的捕捉足特化為一對高速擊錘,全力一擊的加速度堪比手槍子彈,足以直接將獵物的堅硬外殼甚至水族箱敲碎。

而在力量和速度之外的最後一大類捕捉足,就是蜘蛛和蜈蚣等「毒蟲」的鰲肢。這種往往被誤稱為「毒牙」的特化前肢,已經演化為一對兼具破甲錐與注射器功能的處決刑具,可將致命的毒液注入獵物體內,使其在痛苦中被活活消化成一攤濃湯。同時,蜘蛛等節肢動物在鰲肢和步行足之間,往往還保留了一對觸肢。這對「小短手」不但可以用於輔助抓取獵物,還會在求偶等活動中發揮作用。

另外,作為無脊椎動物中感官與智力最為發達的頭足類,自然也顧名思義地在頭部環繞著口器長出了數目不等的腕足。因為內部沒有骨骼的約束,這些靈活的腕足,甚至可以讓自詡巧手的人類甘拜下風。不過對於人類來說,這同樣也是鮮美可口的蛋白質來源。

等到了脊椎動物爬上陸地後,因為肢體數量的限制,以合弓綱(舊稱似哺乳爬行動物)為代表的早期羊膜動物都沒有了「騰雙手出來」的餘裕,只能將有且僅有的兩對附肢都投入到「腳踏實地」的運動任務中來。

直到三疊紀晚期,隨著主龍類羊膜動物的演化,其中一些類群成功地實現了生命史上的首次雙足平衡行走,成了第一波擁有了「雙手」的脊椎動物。在這之後統治地球一億多年的恐龍,就是這些主龍中發展得最好的一群。不過,我們的哺乳動物家族卻遲遲沒有出現雙足行走的成員。哪怕是從恐龍手中接收了百廢待興的新生代地球後而出現空前適應輻射的哺乳動物,縱然前肢有著伸縮利爪、蹄子、翼手和鰭腳等多種特化形態,卻一直缺少一對完全從運動功能中解放出來的自由雙手。

改變這一切的事件,發生在第四紀的非洲大陸上。

三、心靈手巧

南方古猿是人類演化歷史上至關重要的一環。

在祖先與黑猩猩分道揚鑣之後,南方古猿的智力水平並未出現飛躍性地提升,其腦容量和現在的大猿們比起來也沒高出多少。不過,人類智慧演化的這一次推進本就和大腦無關,而是因為軀幹與四肢的變化。

從目前的出土化石看,南方古猿已經初步實現了雙足直立行走,雙腳已經不再像其他靈長類那樣蜷曲對握,而是有著類似我們現代智人的平坦腳板與短粗腳趾。此外,南方古猿的脊柱與骨盆也呈現出了逐步適應直立行走的演化趨勢。可以說,如果我們「魂穿」回兩百萬年前的非洲大陸,「入住」南方古猿身體,其實從結構本身而言已經足以勝任我們絕大部分的要求了。

可以說,正是雙足行走這一演化特徵賦予了南方古猿利用雙手製造工具並接受自然正向選擇的機會。只有雙手完全解放之後,製造並攜帶工具才有了明顯的生存優勢。而這種優勢,又反過來篩選著種群內雙手最靈巧、腦子最聰明的個體。相比之下,不管在樹上還是地面上都必須四足並用的其他大猿,就一直因為無法便捷地攜帶並使用工具而在智能演化的門檻上徘徊不前。「勞動創造了人」雖然說得過於籠統,但也多少觸及了人類演化的關鍵。

但正如我們之前所見,在演化之路上,有能力騰出雙手的物種並不少。若是說無脊椎動物因為神經系統不夠發達而無緣高級智能,那為何同為脊椎動物的恐龍,也沒能在長達一億多年的統治歷史中藉助現成的雙手發展出人類這般的智慧呢?

是因為恐龍的腦子太原始嗎?未必如此,作為其直系後裔的鳥類,就不乏渡鴉、喜鵲等精明狡猾的成員。甚至在非鳥恐龍依然統治大地的中生代,非常接近真正鳥類的傷齒龍一脈也演化出了相對較大的腦容量。但不管是傷齒龍還是烏鴉,卻都沒能在漫長的演化路程上爆發出人類這般驚人的智力演化。

這其中的原因,既有偶然,也有必然。

說它偶然,是因為智力的演化僅僅是生命面對自然選擇的一次隨機試錯,我們的祖先只是機緣巧合才在當年做出了如此的選擇。如果讓演化的故事重新來過,靈長類未必會走向高度智能,而另一些動物也將有機會選擇全新的演化方向。

必然的一面,則來源於恐龍繼承自鳥蹠類主龍祖先的靈活頭頸。不同於只能靠七塊「祖傳」頸椎撐門面的哺乳類,恐龍與鳥類的頸椎數目並不固定。而獸腳類恐龍靈活有力的脖子以及發達的頭部,往往會讓解放出來的前肢陷入「無事可做」的窘境。從獨霸天下的霸王龍到比火雞大不了多少的單爪龍,獸腳類恐龍在各個「重量級」上都不乏前肢極端退化的成員。

至於馳龍、傷齒龍和竊蛋龍這些前肢相對發達的類群,它們的「手腕」雖然為了能讓「雙手」摺疊貼合身體,而有著超越人類的驚人可動性,但「手指」卻並沒有進一步向著靈活精細的方向演化。它們彎曲的利爪已經很好地承擔了大部分生存所需的必要功能,不管是用來戰鬥、抓取還是攀爬都已綽綽有餘。對於這些身披華美羽衣的龍族來說,前肢的解放並沒有趕上大腦演化的時機,從此走上了一條完全不同的演化道路,最終成了御風飛天的羽翼。

手和腦,只有在準確配合的情況下,才能通過彼此的循環促進,讓一個種群走向智能演化的道路,並逐步脫離自然選擇與生物演化的桎梏,轉而在抽象的認知層面,展開一場全新的演化風暴。

我們用雙手創造的一切,都是智能演化的空想具現。

四、只手擎天

人類用手創造了手。

作為人類雙手的延伸,機械手的出現,讓手的演化走完了一個螺旋上升的輪迴——生物的演化已然走到了無力跟上科學發展的盡頭,而認知的演化則經由全新的人造載體創造著空前發達的現代文明。

在距離我們並不遙遠的廠房裡,無數的工業機械手每天都重複著成千上萬次精確無誤的操作,以人類技工望塵莫及的效率生產著供養現代社會的海量工業產品。在醫院的手術臺上,原本堪稱人類雙手功能極致挑戰的外科手術,如今也能假借醫療機器人的機械之手代勞;經驗豐富的外科醫生,甚至可以通過這些「機器替身」,為千裡之外為患者進行遠程手術。而在我們頭頂的太空軌道上,太空飛行器與空間站裝備的大型機械手,正在太空的極端環境中對精密的航天設備進行操縱與檢修。甚至在更加遙遠的太空中,火星探測器的機械手也在代替人類完成了一次又一次的異星接觸。

手是推動智能演化的助力,也是實現夢幻與理想的橋梁。現在,就連我們的雙手本身,都已將演化的接力棒徹底交給了外觀迥異的各種機械手。也許到了未來的某一天,這些已經高度發達的機械造物,將會帶著人類的意志,去觸摸遙遠宇宙的璀璨深空,為人類點亮的文明之光開啟全新的演化篇章。

刊登於《科幻世界》2019年10期

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