哈佛大学挑战了哺乳动物脊柱进化

当谈到哺乳动物脊椎的进化时——想想那些拥有可以让它们飞奔、跳跃、游泳、奔跑或直立行走脊椎的动物——故事的关键部分相当简单。

合弓纲，又称单孔亚纲或似哺乳爬行动物，出现在3亿2千万年前的晚石炭纪，是二叠纪中到晚期的优势陆地动物，数量众多且多样化。二叠纪-三叠纪灭绝事件发生时，许多早期合弓纲消失，少数物种存活到三叠纪，而主龙类迅速成为三叠纪的优势陆地动物。合弓纲在三叠纪以后渐趋绝灭，只有少数物种存活到白垩纪。现今的哺乳类是合弓纲的后代。

前哈佛博士后研究员Katrina Jones说：“与基于化石证据不同，原始故事的问题在于，它主要是基于与在活动物身上看到的其他东西的相关性。它依赖于这样一个假设，即哺乳动物的前身必须与蜥蜴具有相同的功能，因为它们的解剖学的这一方面与蜥蜴相似……我们是说，仅仅因为肢体姿势看起来相似并不意味着他们的动作是一样的。”非哺乳动物合弓纲动物与现存的爬行动物有相似的特征，比如四肢向两侧张开，因此科学家曾坚信，这些已经灭绝的非哺乳动物动物应该与爬行动物有着相似的运动方式。它们的脊骨必须像现代蜥蜴的脊骨那样左右弯曲，而不是像哺乳动物的脊骨那样上下弯曲。据信，随着时间的推移，在选择性压力的作用下，哺乳动物的脊椎从蜥蜴般的左右弯曲进化成了今天所见的哺乳动物般的上下弯曲。这种转变被称为横向到矢状（lateral-to-sagittal）。

这是一个简单易懂的经典理论，几十年来，大学里的解剖学和进化教科书一直在教授这个故事。但是，根据哈佛领导的一项新的研究，这种长期持有的信念是错误的。

这项由Jones领导的研究通过观察现代爬行动物、哺乳动物和已灭绝的非哺乳动物合弓纲动物的椎骨来确定它们的椎骨是如何随时间变化的，以及它们对这些生物可能的运动方式的影响，从而挑战了横向到矢状的假说。

分析表明，这三个谱系的脊骨在形态、功能和特征上各不相同，并表明哺乳动物的脊骨并非由爬行动物的祖先进化而来。在今天的脊椎动物中，肯定有一种完全不同的脊骨功能。

“哺乳动物进化而来的祖先种群在外观和功能上都不像一种活着的爬行动物，”该研究的资深作者、比较动物学博物馆组织学和进化生物学副教授、古脊椎动物学馆长Stephanie Pierce说。“它们一开始有自己独特的特征和功能，后来进化成哺乳动物。”

这项研究于3月2日发表在《Current Biology》上。

其中包括自然历史领域博物馆的合作者Kenneth Angielczyk和Blake Dickson博士，后者曾在Pierce实验室读研究生，但现在是杜克大学的博士后研究员。

Dickson早期在实验室的工作，通过分析化石的三维扫描重建了早期四足动物的陆地运动演化，提供了研究人员为新研究修改的方法。

研究小组想看看哺乳动物脊骨的起源故事， 他们对爬行动物、哺乳动物和非哺乳动物合弓纲动物化石的脊椎进行了CT扫描，对其脊椎的关键部位进行了3D重建，以观察其形状。然后，他们对这些形状进行统计比较，测量它们如何弯曲，以确定它们是如何工作的，以及它们允许什么样的运动。

他们发现合弓纲动物明显有自己的椎体形状，它们与哺乳动物和爬行动物都不同。这表明哺乳动物祖先脊椎的关键部位有其独特的特征，这在任何生物群体中都是看不到的。

当比较不同脊椎的功能时，研究人员发现非哺乳动物合弓纲动物脊椎与哺乳动物和爬行动物的行为非常不同。它的主要特征是非常僵硬，侧弯能力有限，不像爬行动物脊椎背部的侧弯。这表明，长期以来认为这些生物像今天的爬行动物，特别是蜥蜴一样活动的观点是错误的。

通过观察他们取样的活哺乳动物的脊椎，他们发现它们是一种无所不能脊椎，在他们测量的每一种功能特征中都表现出了能力。这意味着哺乳动物的背部可以做的不仅仅是矢状弯曲，在进化史上，它们的前辈的僵硬的背部还增加了其他功能，比如脊椎扭转来梳理毛发。研究结果使得简单的横向到矢状的研究范式变得更加复杂。

研究人员引用了CT扫描技术、计算数据和统计程序。他们目前正致力于进一步证实他们的发现，并为他们所观察的物种创建完整的三维脊柱重建。

该组织认为，这项研究显示了化石记录在检验长期以来的进化观念方面的威力。

Pierce说：“如果我们只研究现代动物，比如活的哺乳动物和爬行动物，我们可以提出进化假说，但它们可能不正确。除非我们回到化石记录中，真正深入研究那些已经灭绝的动物，否则我们无法追踪这些解剖结构的变化是什么，什么时候发生的，或者是什么样的选择压力推动了它们的进化。”