格致论道第109期 | 2024年1月27日 北京大家好，我是徐星，非常高兴再次来到格致论道，今天我跟大家分享的题目是《霸王龙和你的大拇指是一回事吗？》。我们每个人都可以看一看自己的大拇指长什么样，想一想这小小的大拇指对我们意味着什么。从演化的角度来看，大拇指对于我们人类这个物种来说是极其重要的。700万年前，人类这个支系和黑猩猩分道扬镳之后，我们就开始了自己的历程。在人类演化过程中，最早出现的一个重要特征就是双足直立行走。直立行走解放了我们的双手，有了灵巧的手，让很多事情成为可能。特别是大拇指对人类的发展起了非常重要的作用，比如我的手能用大拇指和食指一起写字，这也让我们建立了知识体系。知识体系的建立让我们成为了一个非常独特的物种，这也是我们能够征服地球的一个很重要的因素。▲右图来源：students.ga.desire2learn.com大拇指对我们来说这么重要。但从演化的角度来看，我们的大拇指与一些跟我们亲缘关系很近的其他物种的大拇指差别不大，仅仅在于我们的大拇指长了一点点。就是这么一个小小的演化上的形态变化，却致使地球产生了巨大变化。而我今天要讲的是，人类的大拇指和霸王龙的大拇指是不是一回事？这个问题看起来好像非常无聊，也特别细微。但是正是这个无聊且细微的问题，涉及到了一个非常重要的生物学概念。为什么这么说呢？我们的问题是“霸王龙和我们人类的大拇指是不是一回事情”，这只是一种语言的表达。说到语言，我们不得不提到一个人的名字。前些日子有一首很流行的歌曲叫《罗刹海市》，歌曲的最后一段也提到了这个人的名字，他就是维特根斯坦（Ludwig Wittgenstein）。我想由于这首歌，很多人知道了这个有意思的人，知道了他对语言做了很深入的分析。那他的最核心的贡献是什么？就是探究了语言的意义，探究我们生活的语言、科学的语言、还有整个语言系统对人类社会意味着什么？对我们来说也是这样的。霸王龙和人类的大拇指是不是一回事，这是一种通俗的说法，那它在科学领域对应的术语或专有名词是什么呢？有个科学术语叫做“同源”。同源的概念对于研究生物学的人来说是一个非常重要的概念。由于时间关系，我就讲一些和今天主题有关的。大家可以看看自己的手有几根手指，答案很简单，就是5根。但大家可能不知道，其实在四足动物当中，有5根手指的、有4根手指的、有3根手指的、甚至有1根手指的，手指的数量很不一样。5根手指实际上是个比较典型的原始的状态。我们的每一根手指都有它特定的形状，位置也是固定的。大拇指总是在最里边，小拇指在最外边。我们给这些不同的手指都起了名字，这些名字背后其实也对应着一些生物学信息，像大拇指总是在第一个位置。通常来说，我们很容易从位置、形状还有基因信息“三位一体”地判定大拇指。比如我们的脑袋总是长在脖子上而不会长到腰上，也不会长到脚上，这就是位置。脑袋有特定形状，我们的脑袋上一定有眼睛、有鼻子、有嘴巴，不会长出两根手指。而整个的脑袋的位置和形状受到一套独特的基因网络的控制。这就是同源的内核所在。这些标准能让我们判定什么是大拇指、什么是食指、什么是中指，就是用一些科学的标准来判定大拇指的同源。这个标准也揭示了科学一个很重要的特征，就是所有科学阐述一定要有可测量、可验证的一些指标来做评定。这是一些枯燥的背景知识，接着我们来讲一些稍微有意思的事情。那是不是所有的生物结构都这么简单明确、可定义、可追寻呢？我们先讲一个恐龙的故事。这是一种著名的恐龙叫做禽龙，是世界上最早被命名的恐龙之一。当时发现右边这个化石的时候，大家就看见了这个尖锐的、像锥子一样的结构。但由于发现的化石不完整，所以当时的科学家认为，这个像锥子一样的生物结构很可能像现在的牛角一样长在头上。如果今天你去英国伦敦看最早的禽龙的复原雕像，就会发现它被放在了脑袋上。后来，完整的化石被发现以后，大家才发现原来禽龙的手是这样的。之前认为长在禽龙头上的角实际上是它的大拇指，只不过长得特别奇怪。这个判断是怎样得出来的呢？通过一具完整的化石。从完整的化石上可以看到，禽龙像人类一样有5根手指头。像锥子一样的这个结构虽然长得跟人的大拇指不一样，但是位置是一样的，也长在最里面。所以完整的化石就通过位置信息告诉了我们，这个锥子状的结构是个大拇指，而不是其他部分。这是一个比较容易判断的案例。为什么容易呢？因为禽龙长了5根手指头，而我们熟悉的动物一般都长着5根手指头。不管是锥子状还是其他的奇形怪状，只要长在最里边，是5根当中的第一个，我们就把它叫大拇指。但是在生物界中，还有很多生物的手指数量少于5根，比如这张图里面有两种生物，左边的是今天故事的主角霸王龙的手，严格地讲它有3根手指，但是能明显看见的只有2根手指。右边这个长得更怪的，大家猜猜这是什么动物的手？其实它是鸟翅膀最前面的一段，也就是鸟的手部。鸟的手部跟其他动物的手部形状完全不一样，尽管如此，我们也可以看见鸟有3根手指头。所以，像霸王龙这样的2根手指或者鸟这样的3根手指，都让我们无法判断它到底相当于人类的哪几根手指头，在这种情况下做判定就比较困难了。尽管困难，科学家们总有办法解决这个问题。手指退化有个很极端、很著名的例子，就是我们熟悉的马。马奔跑得非常快，其中一个原因就是它的脚趾/手指退化，最后只剩一个指头，叫做蹄子。▲Kavanagh et al 2020 PRSB
左：胚胎发育过程
右：演化过程看马的化石记录就会知道，它的祖先也有5根手指，后来变成了4根手指，再变成3根手指，最后变成1根手指。从马的胚胎发育早期，也可以看到马蹄从5到4到3到2到1的过程。通过马的化石记录和胚胎发育过程，我们知道它最先退化的总是大拇指，然后是小拇指。这不光是在马的演化过程当中存在，在很多其他四足动物中也存在一样的现象，我们把它叫做摩尔斯法则，或者叫两侧退化法则。这是一个非常保守的退化机制，广泛存在于很多其他动物当中。比如鸟类的胚胎发育过程告诉了我们一样的故事。Fecuddia and Nowicki, 2002这张图上展现的是鸟类胚胎发育中的五根手指。Ⅰ-Ⅴ分别代表五根手指，特别小的第1手指（Ⅰ）已经几乎看不见了，第5根手指（Ⅴ）也已经非常小了。到它成年以后，第5指和第1指都没有变成我们能够看见的手指头。所以鸟的胚胎发育告诉我们，鸟类高度变形的3根手指来自中间的3根手指。如果要用同源的概念讲，就是它有手指Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。我们现在来做一个简单的逻辑推理。我们都知道，恐龙变成了鸟类已经是一个公认的科学理论了。通过胚胎发育，我们知道了鸟类高度变形的3根手指是Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，也就是食指、中指和无名指。鸟类的祖先也有3根手指，比如这张图上的恐爪龙，它就有3根手指头。那如果鸟类有中间的3根手指，那它的祖先恐爪龙以及其他有3根手指的兽脚类恐龙自然而然也应该是中间这3根手指头。霸王龙也是三指恐龙这个大家族中的一个成员，但如果你仔细看霸王龙的手指头，可以看见它的形状和三指恐龙里边的2根手指头是对应的。所以我们就可以得出一个简单的推论：既然三指恐龙是Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ这3根手指，那么霸王龙的两根手指一定就是Ⅱ和Ⅲ这两根，也就是食指和中指。这是一个非常简单且清晰的逻辑推论。那故事到底是不是就这么简单的呢？不是这样的。科学研究过程中常常会出现矛盾的信息和令人难以理解的现象。我们研究恐龙化石的人都知道，当你看了大量的恐龙化石后，就会得出一个不一样的故事。我们都知道，很多恐龙是5根手指，比如这张图上最左边叫异齿龙的恐龙就有5根手指，其中外侧的2根手指也就相当于我们人类的小拇指和无名指，是高度退化的。恐龙逐渐演变，变成4根手指、3根手指的恐龙，然后变成2根手指的霸王龙。这样的过程在这张图上一目了然。大家可以试着对比3根手指的恐龙和5根手指的恐龙，可以看到，三指恐龙的3根手指跟五指恐龙里侧的3根手指长得几乎一模一样。大拇指总是有2个指节，食指总是有3个指节，中指总是有4个指节，从指节数上来看也是符合的。还有其他很多细微的特征能够证明这一点。这种形态上的特征，再加上大量的化石数据，尤其在看见有些恐龙外部的手指已经高度退化了之后，我们就自然而然地可以得出这个结论：恐龙在演化历史当中退化的应该是小拇指和无名指，剩下的是Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ这3根手指头。那么故事讲到这里，我们做个小小的总结。鸟类胚胎数据告诉我们，它们的三指恐龙祖先拥有的手指应该是Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ这3根，但是恐龙化石本身的数据告诉我们三指恐龙拥有的三指应该是Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ这3根。也就是说胚胎学的数据和化石的数据“打架”了，这就在我们刚才讲的经典的同源问题里出现了一个明显的矛盾或者说悖论。遇到这种问题的时候，科学家，或者更具体的说，古生物学家和生物学家是怎样处理的呢？科学研究的历史很有意思，不同时期的科学家对待同样的现象、同样的矛盾、同样的数据，他们的出发点和观点会不一样。▲Max Planck: Science advances one funeral at a time
比如在过去的一段时间，有一些科学家们认为恐龙不可能演化成鸟类，所以当他们看见胚胎数据和化石数据打架的时候很开心，因为他们认为这个证据可以否定恐龙变成鸟类的假说。实际上，这个数据并不能支持这些科学家们声称的这种结论。原因非常复杂，当然，这不是我们今天要探讨的重点。我要讲的是另一个问题，对于现在大多数科学家来说，面对同样的化石数据，我们并不关心，也并不认为它跟恐龙是不是鸟类的祖先这一问题相关，而是跟另外一个更好的科学问题相关：为什么古生物学的数据与胚胎学和发育学的数据会得出不同的同源判断？有位科学哲学家叫做库恩（Thomas Kuhn），他写了一本很有名的书（《科学革命的结构》），讲科学革命和科学是怎么发展的。他在书中讲到，不同时期的科学家有不同的研究理念、不同的研究问题和不同的研究方法。所以对于我们来说，面对鸟类手指同源问题，30年前和现在的着眼点就不一样。为了解决这个问题，很多科学家做了很多的努力。我就简单讲一下我们做的一点小小的有意思的工作。作为古生物学家来说，如果想解决这样的问题，最好的办法肯定就是去野外寻找化石。这是一些我们经典的找化石的场地，野外是非常漂亮的，这也是为什么我喜欢古生物学以及选择古生物的原因之一。考察过程中有很多很多“深度旅游”的乐趣，这是我们在野外住帐篷、野炊的画面。当然，更多的是一些挑战，比如沙尘暴、洪水还有高温的考验，里面也有很多有意思的故事。我们在这里确实发现了很多化石，其中我的同事莫进尤发现的一块化石，发掘过程非常困难复杂。我们花了很多的时间，想了各种各样的办法去采集这个化石，最终皇天不负有心人。经过大量努力以后，我们发现了非常漂亮而且很重要的化石，这些化石当中就包含这么一块小化石。它跟我刚才讲的鸟类手指同源的这个矛盾问题相关。简单来说，确实有大量的数据表明，在手指退化过程当中，恐龙手指是从外侧开始退化的，也就是从小拇指开始的。但是，有些恐龙，比如我们找到的这种恐龙，它的大拇指是高度退化的，这是在我们熟悉的恐龙世界当中是特例。这个化石的发现，让我们又重新去看那些用来判断大拇指、食指、中指……的形态学证据。后来我们发现，形态学证据实际上比我们过去传统上的认知更加复杂。如果光看指节，它确实告诉你，三指恐龙的3根手指相当于内侧的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ手指，但是如果去看它的手掌会发现，有些手掌特征表明，三指恐龙的3根手指有可能是中间的这3根手指（Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ）。这样一个细节的发现让我们非常兴奋，于是我们做了很多的分析，对传统的解释和为什么会出现矛盾的问题提出了一些自己的看法。由于时间关系，我就不具体介绍了。我想讲的是，科学的进步确实是由各种各样的人来推动的。在我们的工作之后，很多的科学家也从其他角度来解决这个问题。比如前几年也有一组发育学家发现了一些新的东西。我们原来认为鸟类的手指是从中间3根手指发育出来的，但如果看它的转录组数据会发现，现在鸟类的3根手指相当于是Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ，而不是刚才讲的由位置信息确定的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，这些发现让这个问题更加复杂了。我们把这么长的一个故事缩短成这样一个简短的图表。如果用不同的数据来判断霸王龙的大拇指和你的大拇指到底是不是一样的，会得出3个不同的结论。有的结论告诉你是一回事，有的结论告诉你可能是一回事，另外一些结论告诉你压根不是一回事。为什么会有这样的现象？实际上又回到最早我们要讲的问题：什么是同源？我们早期对同源的定义是否合适？我们用于判定同源的这些标准是否合适？如果标准“打架”了，我们能不能把它们协调一致？如果你熟悉生命科学，就会发现很多基本的科学概念都存在这样的问题。像我们熟悉的物种的概念，大家可能更熟悉的基因的概念，乃至物理学、化学当中类似的一些基本概念中都存在这样的问题。随着科学研究的进步，我们有时对这个概念更清晰了，有时更糊涂了。不管是清晰还是糊涂，我们最终的目的是要把这个概念精准地定义好，这样才能推动最终的科学进步。文章和演讲仅代表作者观点，不代表格致论道讲坛立场。“格致论道”，原称“SELF格致论道”，致力于非凡思想的跨界传播，旨在以“格物致知”的精神探讨科技、教育、生活、未来的发展，由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院网络安全与信息化办公室主办，中国科普博览(中国科学院科普云平台)提供技术支持。欢迎关注格致论道官网: self.org.cn，微信公众号: SELFtalks，微博: 格致论道。
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