2015年1月27日,阿爾伯塔大學的研究人員在《自然通訊》(Nature Communications)上發表論文闡述,4條古蛇的化石遺存歷史距今已有1.4億~1.67億年歷史,比之前的古蛇化石紀錄早近7000萬年。
(藝術復原的3種古蛇。圖源:Julius Csotonyi)
根據4條古蛇化石重構,從上侏羅紀到下白堊紀的3種古蛇。
左上:葡萄牙Portugalophis lignites(上侏羅紀),盤在銀杏樹中,化石來自葡萄牙吉馬羅塔的煤沼澤沉積物。
右上:科羅拉多州Diablophis gilmorei(上侏羅紀),藏匿於角鯊頭蓋骨中,化石來自科羅拉多弗魯塔墨裡森組。
底部:英格蘭Parviraptor estesi(上侏羅紀/下白堊紀),在蝸牛和藻類的淡水湖中遊泳,化石來自英國斯沃尼奇的波爾貝克石灰巖。
在中國,蛇的最早記載見於《史紀·三皇本紀》,書中說伏羲氏與女媧氏都是人首蛇身之物。而盤古也有記載是龍首蛇身之像。
(左:盤古,右:女媧與伏羲。圖源:360doc)
盤古畫像-龍首蛇身(《三才圖會》,明萬歷刻本)。
彩繪女媧、伏羲麻佈畫-蛇身人首(唐代,新疆出土)。
蛇是一種古老生物,一直以來,我們都認為“畫蛇添足”是錯誤的,蛇本身就沒有腳。
正如人類所好奇的一樣,蛇為什麼沒有腳?
按照《聖經》上的說法,這是它唆使夏娃吃下禁果所得到的懲罰。
信仰上帝的人或許照單全收,但科學傢並不願意如此含糊地相信。
一些研究者試圖從蛇類基因組的演化中找到答案。
(夏娃與禁果,圖源:fyjy.sdacn)
長期以來,科學傢對於蛇的祖先有兩種看法:
一種看法是,蛇的祖先是水生動物,因為現在的蛇在生物學的觀點下,與一種名叫摩薩龍的水生巨型蜥蜴非常相似(此蜥蜴現已絕種)。
另外一種觀點是,蛇的祖先是陸生動物,本來有腳,這些腳後來退化消失瞭。
尼古拉斯·維達爾和他的同事,將17種現代蛇的DNA與19種水生蜥蜴進行瞭比較,發現它們之間沒有一點血緣關系,從而排除瞭蛇的祖先是摩薩龍的可能性。
耶魯大學研究人員丹尼爾·菲爾德介紹說:“我們的分析結果表明,現存蛇類最近的共同祖先已經失去瞭前肢,但是仍然還有小小的後肢,以及完整的踝部和腳趾。它們可能是最初在陸地上進化的,而不是海裡。所有這些發現,應該解決瞭長期以來關於蛇類起源的爭論。”
如此說來,蛇或許是從有腳的陸生動物進化而來。
看來有些時候,“畫蛇添足”也未必不對。
e46a4b03f546b9a89361b82fca1ad477(藝術復原圖:遠古蛇類或長有微型後肢。圖源:sina)
作為一種原始蛇,大蟒蛇具有進化過程中殘留下來的盆骨結構和後肢。
在其肛門兩側各有一小型爪狀痕跡,為退化後肢的殘餘。這種後肢雖然已經不能行走,但都還能自由活動。
(銀川動物園蛇館蟒蛇後肢殘餘。圖源:bbs.pxtx)
蛇的祖先是四足動物,科學界已經達成瞭共識。
然而,長期以來,科學傢一直在探索它們是如何“失足”的。
英國愛丁堡大學的易宏宇博士與美國自然歷史博物館的馬克·內爾博士,在對蛇的四肢如何消失的研究上有瞭新的進展。並於2015年11月27日在《美國國立生物技術信息中心》發表瞭相關的研究成果。
根據其最新的研究結果顯示,真正讓蛇失去四肢的是為瞭更好地適應地穴生活。
這次之所以能夠取得突破性進展,是由於發現瞭一塊超過9000萬年的蛇化石。
易宏宇博士與馬克·內爾博士一起用CT設備對該化石進行瞭掃描,並利用計算機進行瞭建模。
結果發現,這種生活在9000萬年前的恐蛇,居然擁有一個球狀內耳,而這種特征的內耳通常隻出現在穴居動物身上。
現代的蛇類中,內耳的形狀更加的復雜。隻有水生蛇類的內耳跟恐蛇的內耳較為相似,但其內耳的范圍明顯比恐蛇小得多。
恐蛇的這種內耳,在大小上跟穴居動物的相似,但又不盡相同,獨自成為瞭一個體系,而這種不同剛好填補瞭蛇類進化歷史上的空白。
因為蛇類的四肢消失已經沒有更好的證據。這塊化石的出現和內耳的發現,證明瞭蛇類失去四肢,完全是為瞭適應穴居生活而退化的,最終成為瞭現代蛇內耳的樣子。
(根據內耳形態,現代蛇起源於洞穴。圖源:NCBI)
由於洞穴的土層非常的厚,所以依靠鼓膜的震動,根本來不及判斷獵物或者敵人出現在瞭洞穴附近,所以蛇的內耳裡並沒有鼓膜,而是充滿瞭淋巴液。
當蛇的腹部緊貼地面的時候,一旦有敵人或者獵物靠近,地面的震動就會從腹部傳送到內耳,從而引發淋巴液的顫動,這個時候蛇就明白有生物正在接近它,甚至可以從淋巴液的顫動頻率來判斷來的生物有多大,因此蛇才能夠一直生存下來,並且發展出如此多的種類。
對於蛇“失足”的演化秘密,一篇於2016年10月20號發表在《細胞》的論文給出瞭說法:加州大學亞歷克斯·維塞爾團隊的科學傢們發現,DNA中僅僅十幾個堿基的變化,就能決定“腳”的有無。
四肢形成有特異關系的基因——sonic hedgehog(shh),它本身是一個遠程控制的與肢體調節相關的增強子。
轉基因鼠的測試表明,在大多數脊椎動物中都存在shh,甚至包括魚,但是並不包括蛇。
研究中將人或魚的同源shh基因去替換老鼠的shh基因後,實驗鼠的四肢發育還算正常。
但是相反,將蛇的同源shh基因去替換老鼠的shh基因後,實驗鼠的四肢發育嚴重受阻。
0ef2ab082370c0529fea955400edc1df(遠古蛇與現代蛇。圖源:cell)
那麼,問題來瞭,蛇類沒有腳,是怎麼動起來的?
經研究發現,它們的運動主要是借力於骨骼和鱗片。
要知道,蛇的整個身體都是運動器官。蛇身雖長,但很靈活,這是因為它的脊椎骨有100~400塊,而哺乳動物一般隻有16塊左右。
更重要的是,蛇脊椎骨之間的連接方式與眾不同,相鄰脊椎骨可以上下、左右彎曲。
蛇沒有胸骨,但它的肋骨可以前後自由活動。
而每對肋骨連接肌肉,肌肉又連接鱗片。
當蛇想前進時,肋骨牽動肌肉,肌肉就會牽動鱗片豎起來、再倒下。利用底下的摩擦力,向前滑行,就像身體上長滿瞭無數的小腳一樣。
美國哈佛大學約翰·保爾森工程和應用科學學院(SEAS)的科研團隊,依照蛇鱗片的爬行原理,開發出瞭一種軟體機器人(鱗片采用日本剪紙藝術制成)。其相關論文發表於《Science Robotics》雜志。
(蛇鱗運動。圖源:seas.harvard)
辛辛那提大學文理學院生命科學教授佈魯斯·傑恩(Bruce Jayne)研究瞭蛇類運動機理,並將研究發表在2017年12月的《實驗生物學期刊》(Experimental Biology)上。論文中主要闡述瞭蛇的4種運動方式。
(蛇的四種運動。圖源:zmescience)
伸縮運動——通常在運動范圍受到限制的狹窄的空間使用,如鼠蛇爬樹。
(蛇的伸縮運動。圖源:gaoxiaogif)
蜿蜒運動——是蛇最快和最常見的運動形式。
這種運動主要靠地面摩擦前行。因此,不適合在光滑的路面上進行。
779d8d0dceea06e8a49ce8fcd73fcc15(蛇的蜿蜒運動。圖源:sohu)
側向運動——通常是生活在松散沙子區域的蛇采用的運動方式,比如沙漠蛇、響尾蛇。
(蛇的測向運動。圖源:Giphy)
直線運動——是一種較慢的運動模式,身體較重的蛇往往采用這種方式。
另外蛇在圍捕它們的獵物的最後階段會采用直線爬行,以免驚動瞭目標。
在直線爬行時,蛇使用它身體底部鱗片的邊緣作為支撐點,來拉伸自己的身體,沿著直線前進或多或少的距離。
(蛇直線運動,圖源:sohu)
在人們的印象中,蛇似乎爬得很快,所以有“蜈蚣百足,行不如蛇”的說法。其實,大多數蛇每小時隻能爬4千米左右,與人步行的速度差不多。當然,也有爬得比較快的,像身體細長的花條蛇,每小時能爬10~15千米。爬得最快的恐怕要算非洲一種叫“曼巴”的毒蛇瞭,每小時可前進15~24千米。可是它們隻能在短時間內快速爬行,不能長時間以這種速度前進。因而,即使在路上遇到瞭速度最快的蛇,人應該也是來得及避開的。
人們之所以會感到蛇跑得很快,是由於一剎那間它的爬行速度確實比較快的緣故。加上蛇多半在荊棘和草莽叢中活動,而這些地方人是很難行走的。而且當人發現蛇時,由於恐懼和緊張,行動會變得非常笨拙。可是蛇卻正好發揮自己的優勢,特別是在斜坡上,它能順勢下滑,使人感到它果真迅疾如飛。
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