哈佛科学家从早期四脚叠的鳍到肢体重建了更改的游戏变化

大约3亿9千万年前，当脊椎动物第一次从水中上升并移动到陆地上时，我们很难夸大它对游戏规则的改变有多大。这一转变导致了恐龙和今天所有陆地动物的出现。

“能够在陆地上行走，基本上为所有的生物多样性和建立现代陆地生态系统奠定了基础，”比较动物学博物馆(Museum of Comparative Zoology)的脊椎古生物学馆长、托马斯·d·卡伯特(Thomas D. Cabot)有机体与进化生物学副教授斯蒂芬妮·皮尔斯(Stephanie Pierce)说。俄罗斯比利时赔率“它代表了进化史上一段极其重要的时期。”

一个多世纪以来，科学家们一直在努力解开这一重大转变究竟是如何发生的，他们对这一过程的理解，在很大程度上是基于一些罕见的、完好无损的化石，它们之间存在解剖学上的间隙。皮尔斯·迪克森和布莱克·迪克森博士20年的一项新研究通过聚焦于一块骨头——肱骨——提供了一个更全面的视角。

这项研究发表在自然，展示了如何以及当第一组土地探险者比游泳者变得更好。分析跨越鳍到肢体过渡，并在早期重建陆地运动的演变四足动物。它们是陆地上的四肢脊椎动物，其后代包括灭绝的和现存的两栖动物、爬行动物和哺乳动物。

研究人员将注意力集中在肱骨上，这是上臂上的长骨，从肩膀往下延伸，并在肘部与下臂相连，以解决保存完好的化石之间存在缝隙的难题。从功能上讲，肱部对于运动是无价的，因为它承载着吸收四足运动所产生的大部分压力的关键肌肉。最重要的是，这种骨头在所有四足动物和它们进化而来的鱼类身上都能找到，而且在化石记录中很常见。研究人员说，这块骨头在某种程度上代表了一个时间囊，可以通过它来重建运动进化过程，因为它可以在从鳍到四肢的过渡过程中进行检查。

“我们凭借守卫应该能够告诉我们运动的功能演变，因为你从作为一个刚游泳的鱼类，当你来到陆地上并开始走路时，”Dickson说。

研究人员分析了40块三维肱骨化石，包括剑桥大学合作者在TW:eed项目中收集的新化石。研究小组观察了骨头是如何随时间变化的，以及它对这些生物可能移动的影响。

该分析涵盖了从水生鱼类到陆生四足动物的转变。它包括一组中间的四足动物，它们具有以前不为人知的移动能力。研究人员发现，在这一中间群体中，四肢的出现正好与向陆地过渡的时间吻合，但这些早期的四足动物并不擅长在上面移动。

为了理解这一点，团队测量了与适应不同环境相关的功能权衡。他们发现，当这些生物从水中迁移到陆地时，肱骨的形状发生了变化，产生了新的功能特征组合，这些特征被证明对陆地上的生活更有利。

研究人员认为这是有道理的。“你不可能样样都擅长，”迪克森说。“要从一条鱼变成陆地上的四足动物，你必须放弃一些东西。”

研究人员捕获了展示了地形图的变化，显示了这些早期的Tetrapods与基于水或陆地生活有关的地方。科学家们表示，这些变化可能受到环境压力的推动，因为这些生物适应陆地生活。

这篇论文描述了过渡型四足动物的“l形”肱骨，为它们在陆地上移动提供了一些功能上的好处，但作用并不大。这些动物还有很长一段路要走，才能发展出在陆地上使用四肢的必要特征，从而能够自如地、熟练地移动。

随着肱骨继续改变形状，Tetrapods改善了它们的运动。“L”形肱骨转化为更坚固，细长的扭曲形式，导致功能性状的新组合。这种变化允许在土地上更有效的Gaits，并帮助引发生物多样性和扩张成为陆地生态系统。它还帮助建立了基于捕食者，猎物，食草动物和今天仍然看到的食肉动物的复杂食品链。

分析花了大约四年才能完成。量化肱骨的变化和功能如何在超级计算机上花了数千小时。然后，研究人员分析了这些变化如何在运动期间影响肢体的功能性能和相关的权衡。

创新方法代表了一种新的观察和分析化石记录的方式 - 皮尔斯的努力非常值得。

“这项研究表明，您可以从动物骨架的如此一小部分中获取的信息，这些信息被记录在化石记录中，以及如何帮助揭开已经发生的最大进化变换之一，”皮尔斯说。“这是真正的尖端的东西。”

想了解更多关于这项研究的信息，请阅读从鳍到四肢，从水到陆地:早期四足动物陆地运动的进化。

参考：“功能适应性景观预测肢体起源的陆地产能”由Blake V. Dickson，Jennifer A. Clack，Timothy R. Smithson和Stephanie E. Pierce，11月25日。自然。
DOI: 10.1038 / s41586 - 020 - 2974 - 5

该研究得到了哈佛大学博物馆，罗伯特A.查普曼奖学金和自然环境研究委员会的资金。