陸生動物表現出連續的肢體姿勢——從“伸展”到“直立”或“直立”，從“四肢伸展”到身體側面 ， 如蜥蜴，再到四肢放在身體下方并靠近動物中線，如狗、貓和馬 。直立姿勢是大多數現代哺乳動物的特征，但這一關鍵特征是什么時候進化的？圖片來源：彼得·畢曉普
據哈佛大學：哺乳動物，包括人類，以其獨特的直立姿勢脫穎而出，這是推動其驚人進化成功的關鍵特征 。然而，現代哺乳動物已知的最早祖先更像爬行動物，四肢以伸開的姿勢伸出身體兩側 。
從蜥蜴的伸展姿勢轉變為現代哺乳動物的直立姿勢，如人類、狗和馬，標志著進化的關鍵時刻 。
它涉及聯會動物（包括哺乳動物及其非哺乳動物祖先）肢體解剖和功能的重大重組，最終導致了我們今天所知道的獸類哺乳動物（有袋動物和胎盤動物） 。盡管經過了一個多世紀的研究 ， 但這一進化飛躍背后的確切“如何”、“為什么”和“何時”仍然難以捉摸 。
現在，在《科學進展》發表的一項研究中，哈佛大學的研究人員為這個謎團提供了新的見解，揭示了哺乳動物從伸開四肢到直立姿勢的轉變絕非易事 。
研究人員使用將化石數據與先進的生物力學建模相結合的尖端方法發現，這種轉變出乎意料地復雜和非線性，而且發生的時間比以前認為的要晚得多 。
主要作者Peter Bishop博士是哈佛大學生物與進化生物學系的博士后研究員，也是資深作者Stephanie Pierce教授，他首先研究了五種現代物種的生物力學，這些物種代表了四肢姿勢的全譜，包括替古蜥蜴（伸開四肢）、短吻鱷（半直立）和灰狗（直立） 。



這項研究中調查的物種之一 ， 來自2.9億年前的早期帆背動物Dimetrodon化石 。圖片來源：Christina Byrd 。哈佛大學比較動物學博物館院長兼研究員 。
畢曉普說：“通過首先研究這些現代物種，我們大大提高了對動物解剖結構與其站立和移動方式之間關系的理解 ?！??！叭缓螅覀兛梢园阉旁谝粋€進化的背景下，研究姿勢和步態是如何從早期的聯會動物到現代哺乳動物發生變化的 ?！?br>研究人員將他們的分析擴展到來自四大洲的八種典型化石物種，這些物種跨越了3億年的進化歷程 。這些物種的范圍從35克的原始哺乳動物Megazostrodon到88公斤的Ophiacodon，包括帆背Dimetrodon和劍齒食肉動物Lycaenops等標志性動物 。
畢曉普和皮爾斯利用物理學和工程學原理，建立了肌肉和骨骼相互連接的數字生物力學模型 。這些模型使他們能夠生成模擬，以確定后肢（后腿）可以在地面上施加多大的力 。
畢曉普說：“肢體對地面施加的力是動物運動表現的關鍵決定因素 ?！??！叭绻阍谛枰臅r候不能在給定的方向上產生足夠的力量，你就無法跑得那么快，轉彎得那么快 。更糟糕的是，你很可能會摔倒 ?！?br>


2 . 42億年前，類似哺乳動物的犬齒動物Massetognathus的化石 ， 是這項研究中研究的物種之一 。來源：照片由彼得·畢曉普拍攝 。比較動物學博物館，©哈佛學院院長和研究員 。
計算機模擬產生了一個三維的“可行力空間”，可以捕捉肢體的整體功能表現 。皮爾斯說：“計算可行的力空間隱含地考慮了整個肢體肌肉、關節和骨骼之間可能發生的所有相互作用 ?！?。
“這讓我們對更大的圖景有了更清晰的認識，對肢體功能和運動以及它如何在數億年的時間里進化有了更全面的了解 ?！?br>雖然可行力空間的概念（由生物醫學工程師開發）自20世紀90年代以來就已經存在，但這項研究是第一個將其應用于化石記錄以了解滅絕動物曾經是如何移動的 。
作者將模擬打包成新的“化石友好”計算工具 ， 可以幫助其他古生物學家探索自己的問題 。這些工具還可以幫助工程師設計出更好的仿生機器人，可以在復雜或不穩定的地形上導航 。
這項研究揭示了幾個重要的運動“信號”，包括現代物種在日常行為中使用的姿勢周圍的整體力量生成能力最大 。重要的是，這意味著Bishop和Pierce可以確信，對已滅絕物種的研究結果真實地反映了它們活著時的站立和移動方式 。
哺乳動物是如何大步前進的
2.42億年前的類哺乳動物犬齒象Massetognatus化石，是該研究中調查的物種之一 。圖片來源：彼得·畢曉普 。哈佛大學比較動物學博物館院長兼研究員 。在分析了已滅絕的物種后，研究人員發現，運動性能在數百萬年內達到峰值和下降，而不是以簡單的線性方式從伸展到直立 。
一些已滅絕的物種似乎也更靈活，能夠在更伸展或更直立的姿勢之間來回移動，就像現代的短吻鱷和鱷魚一樣 。而另一些物種在哺乳動物進化之前就表現出了向更伸展姿勢的強烈逆轉 。
與該研究的其他結果相結合，這表明與當今哺乳動物直立姿勢相關的特征進化得比以前想象的要晚得多，很可能接近獸的共同祖先 。
這些發現也有助于調和化石記錄中幾個未解決的問題 。例如，它解釋了許多哺乳動物祖先手、腳和四肢關節不對稱的持續存在，這些特征通常與現代動物的伸展姿勢有關 。
這也有助于解釋為什么早期哺乳動物祖先的化石經常以壓扁、展開的鷹姿勢被發現——這種姿勢更有可能用伸展的四肢來實現 ， 而現代的胎盤和有袋動物化石通常是側臥的 。
畢曉普說：“作為一名科學家，當一組結果可以幫助闡明其他觀察結果，使我們更接近更全面的理解時，這是非常令人欣慰的 。” 。



研究了現代（黑色剪影）和滅絕（灰色剪影）物種的進化相互關系 。這項研究揭示了突觸類動物姿勢進化的復雜歷史，現代胎盤類和有袋類動物典型的完全“直立”姿勢進化較晚 。圖片來源：彼得·畢曉普
皮爾斯的實驗室研究了哺乳動物身體計劃的進化近十年，他指出，這些發現與突觸體其他部位（如脊柱）的模式是一致的 。
她說：“現在的情況是，典型的therian特征的全部互補是在一個復雜而漫長的時期內組裝起來的 ， 而完整的一套特征是在突觸史上相對較晚的時候形成的 。” 。
除了哺乳動物，該研究表明 ， 一些主要的進化轉變 ， 如向直立姿勢的轉變，往往是復雜的 ， 并可能受到偶然事件的影響 。例如，突觸姿勢的強烈逆轉 ， 回到更伸展的姿勢，似乎與二疊紀-三疊紀的大滅絕相吻合，當時90%的生命被消滅了 。
這一滅絕事件導致恐龍等其他群體成為陸地上的主導動物群體，將突觸類動物推回陰影中 。研究人員推測，由于這種“生態邊緣化” ， 突觸類動物的進化軌跡可能發生了很大變化，從而改變了它們的運動方式 。
無論這一假設是否得到支持，理解哺乳動物姿勢的進化一直是一個復雜的難題 。皮爾斯強調，計算能力和數字建模的進步為科學家們解決這些古老的謎團提供了新的視角 。
她說：“將這些新技術與古代化石結合使用，可以讓我們更好地了解這些動物是如何進化的 ， 而不僅僅是這個簡單的線性進化故事 ?！??！斑@真的很復雜，這些動物可能以我們以前沒有意識到的方式在它們的環境中生活和移動 。發生了很多事情，今天的哺乳動物真的很特別 ?！?br/>

• 日本鯨類研究所想在2015年度以后重新開始在南極捕鯨
• 對銀河系中心超大質量黑洞的重新分析顯示了細長的結構
• 發現墨西哥鈍口螈藏重生分子“neuregulin-1” 對研究人類再生功能有幫助
• 最新研究指遠古火星上的水含有鹽分及礦物質 適合生命存在
• 牙粉揭開了挪威一個有800年歷史的男子被扔進井中的謎團
• 對早期的胚胎發生及遺傳疾病的研究露出曙光
• 維多利亞時代的幽靈照片以恐怖的刺激逗樂了觀眾
• 墨墨背單詞上限用完了
• 一項關于古代火山活動的新研究表明，恐龍在冰后而不是火后繁衍生息
• 對抗耐藥的丙型肝炎