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蛇是如何失去腿的

探索蛇的进化以及像问题棘龙(Pachyrachis problematicus)这样的惊人化石发现如何重塑我们对其祖先的理解。

作者:Carl Zimmer
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所有生活在陆地上的脊椎动物——从人类到鳄鱼再到鸟类——统称为四足动物,意为四只脚。这个名称一直沿用,即使连接其中两只脚的腿在人类身上变成了手臂,在鸟类身上变成了翅膀。而蛇的变化则更为彻底:它们失去了所有的四肢。它们有肢体遗产的为数不多的遗迹之一是隐藏在肋骨内的退化骨盆。

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蛇是如何出现的?这些动物的独特性模糊了它们的祖先。它们的鳞片、卵以及头骨的细微特征表明它们是从蜥蜴进化而来的,但很难将它们与任何特定的群体联系起来。由于在分类学上无法确定它们的地位,古生物学家只能对蛇是如何失去肢体的提出最牵强的假设。但由于发现了一块拥有腿的1亿年前的蛇化石,这种困惑可能现在已经消散了。

这条三英尺长的生物,名为问题棘龙(Pachyrachis problematicus,意为“问题棘龙”),于20世纪70年代末由采石场工人发现,地点在耶路撒冷以北12英里处。初步研究后,希伯来大学的爬行类动物学家乔治·哈斯(George Haas)认为,尽管该化石看起来像蛇,但没有证据表明它与蛇有密切关系。事情就这么搁置了,直到1996年,澳大利亚悉尼大学的迈克尔·李(Michael Lee)和芝加哥菲尔德博物馆的迈克尔·卡德维尔(Michael Caldwell)来到耶路撒冷对该化石进行了更深入的研究。他们从石灰石板中暴露了更多化石,并仔细将其骨骼与蛇和蜥蜴的骨骼进行了比较。李说:“你首先要看它可能与哪些动物有关,而哈斯当时并没有接触到很多原始蛇类材料。”

他和卡德维尔得出结论,问题棘龙拥有许多蛇特有的特征。例如,它的身体又长又蜿蜒:它的躯干有140块椎骨;大多数蜥蜴只有25块。而蜥蜴的脑颅是开放的,问题棘龙却像蛇一样,脑颅完全封闭。它的下颚非常灵活:下颚没有在下巴处融合,因此两半可以向两侧张开以吞食大型猎物。上下颚沿长度方向有许多铰链,可以进一步扩大张口。李说:“毫无疑问,它们是蛇。”

然而,问题棘龙仍然保留了一些原始解剖结构,李和卡德维尔从中瞥见了蛇的系谱。最明显的当然是腿。问题棘龙的化石有两条后腿,每条腿约一英寸长,只缺少脚。问题棘龙的脚可能在死后被冲走了,但李推测它们最多也就是退化的,可能只有几根脚趾。不那么明显但同样重要的是它的骨盆,它位于肋骨之外而不是之内,以及其脊柱和头骨的一些诊断性细节。

总而言之,问题棘龙的特征指向了一个令人惊讶的动物——一种已灭绝的巨型海洋蜥蜴,被称为沧龙——是蛇最亲近的亲戚。这两个谱系可能在至少1.1亿年前就分开了。沧龙最初是陆地上的四足蜥蜴,看起来很像近亲的科莫多巨蜥。它们的身体随后变长,四肢在下水后逐渐萎缩。到1亿年前,沧龙体长可达45英尺,通过摆动强壮的尾巴和桨状的四肢在水中游动。它们与陆地上的恐龙一起,在6500万年前消失了,可能是由于小行星或彗星撞击的结果。

李和卡德维尔认为,与沧龙的这种亲缘关系反驳了最流行的蛇进化假说。尽管如今的蛇生活在从树林到沙漠再到河流的各种环境中,但最原始的蛇都生活在地下。这一事实促使研究人员提出,蛇是从陆地蜥蜴(也许是一种类似石龙子的蜥蜴)进化而来,这种蜥蜴适应了地下生活。如今蛇的许多特征可能是在适应穴居生活时进化而来的。拉长身体会赋予它们更强的肌肉力量,以便用头部钻穿土壤并钻入缝隙。几乎所有爬行动物(蛇除外)都有鼓膜。对于一种在地下穿行的动物来说,封闭耳朵是有道理的,因为它们几乎听不到空中的声音。

然而,李和卡德维尔怀疑蛇是从穴居蜥蜴进化而来的。李说:“我对此并不特别满意,因为仅仅观察最原始的现存蛇类是不够的。你还必须考察蛇最亲近的亲戚。”他和卡德维尔现在想知道,是否是时候复兴一个被长期忽视的理论了:那就是蛇实际上是在水中开始它们的生命的。

沧龙,它们最亲近的亲戚,生活在海洋中,而问题棘龙,最原始的蛇,也生活在那里。它的化石表明它非常适应海洋生活——例如,它的尾巴像鳗鱼一样扁平,有助于在水中向前推进。为了抵消充满空气的肺的浮力,问题棘龙的肋骨很重。李说:“如果你曾经潜过水,你知道必须携带几公斤的配重。现存蛇类的许多适应性特征,无论是在游泳还是在穴居方面,都同样有道理。鼓膜(问题棘龙没有)在水下和地下一样无用,而细长的无肢身体对游泳很有用。李说:“蛇身上的一些特征,通常被解释为穴居的适应性,但如果你仔细想想,它们也可能与水生有关。”

李和卡德维尔现在正在思考一个引人入胜但又有些奇怪的场景:产生当今蛇类的动物跳入水中,失去了它们的腿,然后爬了出来。在蛇适应了在海洋中游泳之后,它们发现它们的身体非常适合陆地生活,无论是作为穴居者还是在其他栖息地。李说:“为了让这个故事更加令人眩晕,一些蛇又回到了水中,变成了今天的海蛇。在问题棘龙的描述之前,一百年来没有人认真提出蛇的起源是水生的。这是一个巨大的变化。”

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