问题

为什么哺乳动物没有进化出6条腿或者8条腿?

回答
这个问题很有意思,其实可以从好几个角度来拆解,就像我们看一个复杂的机器,得从它的零件、设计原理到使用环境都得研究一遍。哺乳动物之所以没长出六条腿或者八条腿,不是因为我们“不够努力”或者“没想到”,而是受到了一系列生物学、物理学以及演化过程中的限制。

首先,我们得回到哺乳动物的“祖宗”那儿去看看。哺乳动物属于脊椎动物,而脊椎动物演化出四肢,可以追溯到大约4亿年前的鱼类。那时候,一些鱼类开始尝试离开水,到陆地上活动。你可以想象一下,在泥泞或者不平坦的地形上,鱼鳍在陆地上抓握和支撑身体,会非常吃力。所以,这些鱼鳍逐渐演化,骨骼结构变得更粗壮,并且分化出更灵活的关节,最终形成了我们今天看到的四肢的雏形。

这四肢的结构,就像一个“升级包”,它给了早期陆地脊椎动物在陆地上移动的强大能力。两条前肢可以用于支撑和推动,两条后肢可以用于提供动力。这种“四轮驱动”的模式,在当时的环境下,可能是一种非常高效且相对容易实现的解决方案。

接着,我们再看看“为什么不是更多”。

1. 骨骼和神经系统的复杂性:

想象一下,如果我们要加两条腿,那就意味着我们需要增加更多的骨骼、关节、肌肉,以及配套的神经系统来控制它们。每增加一条腿,不仅仅是增加一个“轮子”,而是要增加一整套复杂的系统。

骨骼结构: 哺乳动物的骨骼系统已经是一个高度整合和优化的结构。如果要增加额外的肢体,就需要重新设计整个骨架的支撑点和受力方式。这需要大量的基因突变和漫长的演化时间来逐步实现,而且每一步都可能面临生存挑战。
神经系统: 控制腿部动作需要大脑和脊髓传递精确的信号。更多的腿意味着需要更复杂的神经回路和更强大的神经系统来协调运动。这种复杂度的增加,本身就是一种巨大的演化负担。想想我们现在同时协调两条腿走路就已经很自然了,如果突然要协调六条腿,那得多大的脑容量和神经处理能力啊!

2. 能量消耗和代谢:

运动是需要消耗能量的。腿越多,意味着你需要驱动更多的肌肉,那么能量消耗就会成倍增加。在自然选择的环境下,生存下来的个体往往是那些能够更有效地利用资源、更适应环境的。如果增加腿的数量带来的好处(比如更大的承载能力或更快的速度)不足以弥补增加的能量消耗,那么这种演化就不会被自然选择所青睐。

想想我们日常生活中,有多少动物是靠多条腿来生存的?昆虫(六条腿)和一些节肢动物(比如蜘蛛有八条腿)是很好的例子。它们在演化上走了一条不同的道路。但这些动物的身体结构、代谢方式以及生活习性都与哺乳动物有很大的不同。它们通常体型较小,外骨骼提供了支撑,并且可以通过更简单的神经系统进行协调。哺乳动物体型普遍较大,内骨骼系统,以及更高级的大脑和复杂的生理活动,对能量的需求本身就很高,再增加额外的“动力装置”,可能就有点“得不偿失”了。

3. 运动学和效率:

四肢的交替步态(比如奔跑时,左右后腿和左右前腿的协调)已经是一种非常有效率的运动方式。它能够平衡稳定性和速度。

稳定性: 四肢形成的“底座”提供了良好的稳定性,尤其是在崎岖的地形上。
速度: 四条腿可以实现交替蹬地,产生持续的推力。
转向和平衡: 四肢也方便了转向和在不平坦地面上的平衡。

如果你想象一下八条腿的行走方式,可能会非常复杂,而且不一定能比四条腿跑得更快或更稳。比如,要如何协调八条腿的蹬地顺序,才能达到最佳的推进效果?科学家们对此也进行过一些模拟和研究,发现对于哺乳动物这样体型和结构的动物来说,四条腿的运动模式在效率和灵活性上可能是一个“甜点”区间。

4. 演化路径的“锁定”:

演化不是一个有目的性的过程,它更像是在现有的基础上不断“修修补补”和“优化”。一旦一个物种建立起一套相对成功的身体结构和运动模式,它就会沿着这条路径继续演化。哺乳动物的四肢结构已经非常成熟,并且能够适应各种各样的环境,从陆地到水中,甚至在空中(蝙蝠),这都说明了四肢结构的普适性和强大适应性。想要从根本上改变这种“四肢基本款”,需要非常巨大的压力和极其漫长的时间,并且需要全新的基因指令来驱动。

想象一下,如果最早的脊椎动物演化出的是六条腿,那现在我们可能也在讨论为什么没有演化出四条腿了。但事实是,四条腿的方案最先被“选择”并成功地让脊椎动物登陆了。

5. 胚胎发育的约束:

生物体的发育过程受到基因的严格调控。四肢的发育,包括数量、形状和功能,都是由一系列特定的基因家族决定的。例如,Hox基因家族在决定身体轴向(比如前后、背腹)和肢体发育中起着至关重要的作用。要增加或改变肢体数量,就需要对这些基础的发育调控基因进行重大的修改,这同样是一个非常难以跨越的演化障碍。

总结一下,哺乳动物没有进化出六条或八条腿,主要是因为:

演化起点: 哺乳动物的祖先从四肢的鱼类演化而来,四肢是陆地移动的有效起点。
复杂性负担: 增加肢体数量意味着骨骼、神经、肌肉系统的指数级增长,能量消耗也会大大增加,这在自然选择中可能是不可取的。
运动效率: 四肢的运动模式在稳定性和速度上已经达到了一种平衡,更高的肢体数量不一定带来更优的效率。
演化路径: 一旦形成成熟的结构,演化倾向于在此基础上进行优化,而不是彻底的结构性改变。
发育机制: 胚胎发育的基因调控网络对肢体数量有固有的限制。

总而言之,四条腿是哺乳动物在演化过程中,综合考虑了物理法则、能量效率、神经控制以及生物个体生存能力后,一个相对“经济实惠”且非常成功的解决方案。它让我们能够稳健地行走、奔跑、攀爬,适应了地球上多种多样的生态位。

网友意见

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首先,进化从来不是想长什么样长什么样,而是原有性状上的改良、筛选。要不,如果说让掠食者们进化出猎枪太抬杠,那前肢进化成一个长矛总很有合理性吧,总比要用只有几厘米长的犬齿咬杀伤效率高吧。但是没有任何一种掠食动物长出长矛型的肢体。

别说陆地脊椎动物的祖先肉鳍鱼,就是所有鱼类都算上,没有任何一种鱼类有三对、四对腹鳍。6腿,8腿自然无从谈起。


其次,奔跑能力,和腿的数量没关系。

反而两条腿走路的动物普遍运动能力都比较强,没有跑得慢的两腿动物。

运动速度说白了就是步幅+频率,和多少条腿没啥关系。四条腿能交替,两条腿也能交替。前后肢一起走路,比起用特化变长变粗的后肢走路,最少,后肢走路步幅上占光。

蜈蚣、马陆腿多,跑得过六条腿的虎甲虫吗?较多的小腿和较少的大腿比起来,明显后者重复动作少,牵动肌肉少,效率高。而且有助于提高步幅。

蚰蜒靠着大长腿确实跑的不慢,说是有一种蚰蜒能每秒跑半米,在速度以厘米记的虫界算个高手,但是比起虎甲还是太慢了。至于普通细短腿蜈蚣马陆之流,都很废柴,有的速度都不叫爬,只能说是蠕动。

两腿比四腿效率高是有例证的,三叠纪的恐龙祖先就靠的两足直立带来的运动能力强,干翻了已经称霸的亲兄弟伪鳄类

伪鳄类和恐龙是主龙的两大分支,除了行走方式外,两者硬件水平很接近,伪鳄类还有很大的先发优势。然而这些长腿大鳄鱼,三叠纪之后,被两足行走的恐龙赶到了水里,只能退守淡水生态位。

恐龙虽然大部分灭绝,地球上再也看不到那些气囊呼吸两腿追逐猎物的猎手们矫健的跑姿,只剩下鸟类。但是即便是没有什么很强奔跑需要的鸟类,要是比奔跑,还真不弱。

比如鸵鸟,还没哪个陆生脊椎动物,敢说一定跑得过鸵鸟。(没法让动物们跑个长跑比一比的。就是马也要有骑手才行,而负重以后数据会失真)

鸵鸟两条大长腿,步幅可以有三米多,可以以约50km/h的速度在公路上长时间追汽车和自行车,极速高达72km/h。恐龙中的长跑高手已经成化石了,尾椎骨很短的鸟类绝不算什么非常强的奔跑高手。

袋鼠也是个两足行走,它是个少见的异类。袋鼠根本就不交替行走,就是蹦。一步能蹦7米。提高奔跑速度的方法就是强行提高步幅。这种行走方式,在低速情况下,大量的能量用在了和重力较劲上,非常费力,但是如果全速跑开,则变得非常节能。

澳洲是自然界的“幼儿园”,动物都是些很原始的废柴,连野化家犬都能在澳洲称霸。但是袋鼠居然可以维持40公里每小时的速度奔跑,极速能跑进60迈。

而哺乳动物中很强调奔跑能力的马,其实速度并不高,十二公里的长跑比赛经常要四十分钟才能完成,而且经常有赛马因为御使不当而瘫痪甚至猝死。

有的人就要说了,你说这些跑得就算快?看人猎豹前后肢交替,比鸵鸟、袋鼠快多了。

利用腰力奔跑,确实是哺乳动物一个特长。哺乳动物当年因为种种原因,退化掉后边几对肋骨,有了灵活的腰肢,可以进行跳跃等动作。

四足哺乳动物快速奔跑,腰肢上下摆动蓄能非常重要。后腿的劲说白了还是要靠腰力传到到前面。什么鳄鱼蜥蜴之类,不可能这么跑,它们也有四条腿,但是想奔跑时,只能通过小幅的水平方向扭动往前传递力量。

但是附带跳跃的奔跑方式,牵动的肌肉就太多太多了,太过耗能,属于强行“超频”以满足短时间的爆发能力,持续时间非常短。不要高看哺乳动物的运动能力,猎豹这种等同于跳跃的高速奔跑方式,可持续的时间非常短,很少超过半分钟。

陆地脊椎动物,特别是哺乳动物,心肺能力,散热能力,都远不足以支撑这种耗能巨大跑法。利用后腰摆动跳着跑的方法并不算什么科学的跑法。唯一一个心肺散热什么的都能跟的上的异端,是蝙蝠。蝙蝠体温动辄可以上涨七八度,心率提高十几倍,老赛扬了。

猎豹,确实可能在开始比鸵鸟快,但是跑一分钟,就怎么也追不上鸵鸟了。

事实上,猎豹中长跑还跑不过人,2013年11月,三个肯尼亚农民,跑了6.4公里,把吃自家羊的猎豹跑瘫了。

哺乳动物里面真正能跑的还要看那些不怎么跳的有蹄类,敢跳着跑的都跑不了多远。

人其实已经算是哺乳类里面很能跑的了,我们人相对于动物,最大特点是脑袋大,第二个特点就是后肢比例大,占体重比例高达34%左右,第三个特点,就是毛发稀少,利于散热。三个最显眼的特征里两个都是为跑步服务的。之所以这样,就是因为人类在很长一段时间内,都是靠奔跑能力强抓捕猎物的。只要有追踪能力,跟不丢,没有什么动物能跑过为了一顿肉,TM愣是追几十公里的智人。

直到今天,还有原始部落这么干。非洲布希曼族猎人追逐猎物时,不会很全力的奔跑,反而用一种快走+小跑的方式追赶,尽量合理分配自己的体能。而有蹄类的猎物,则是看到人过来就猛跑,浪费大量体力,然后趴地上喘气。没回过来劲,人又跟过来了。被追七八个小时后,再也爬不起来,被走近的猎人用标枪戳死。

自古以来,人类打猎的核心技能就是追踪术,而不是速度。也正因此,人类很早就驯化了狗,给人开视野。

人奔跑能力的最大短板,就是行走方式是掌行式(全脚掌着地,学名叫跖行式),而猫狗这些是指头着地的趾行式,换成人就是用手指头着地。这样脚掌部分就立了起来,多了一个可以用的关节,用以减震和发力。

而人,则要很专业的训练和锻炼,才能做到脚后跟不着地,避免震动耗能。

而强调奔跑能力的有蹄类,则是最极端的蹄行式。相当于人用指尖着地。蹄子就是特化的指甲。

人不擅长短距离高速奔跑,但是两足行走方式能耗低,同时智人散热强,所以中低速奔跑很强。能够跑完人类马拉松42公里的哺乳动物,真的不多。

总之,阻挡哺乳动物运动能力的最关键因素,是心肺和散热功能跟不上。在心肺功能有限的前提下,四肢交替的跳跃式跑法,不算什么好的选择。反而强化后腿,增加步幅,则是一种更合理的做法。至于6条腿,8条腿啥的,那腰要扭成啥样才行,不要指望哺乳动物做到了。龙的脊椎长,可能装得下三对或者四对腿。

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首先,腿多反而跑的慢,例如跑的最慢的蚂蚁都能秒杀跑的最快的蜈蚣,更别说腿多的和波浪一般的千足虫了。事实上千足虫不管是从体型,还是步足数量上来说,都超过了蚂蚁。

而蜈蚣也好,千足虫也好,是可以直接观测其步态,拍摄也很稳,而蚂蚁,你为了看清它的步态,至少需要慢动作回放,而且对焦还有点麻烦。

其实这就和螺旋桨一样,叶片并不是越多越好,有些时候数量少反而比数量多更好。

自然界里,相对速度最快的,都是六条腿,这不是腿多,腿少的问题。而是六条腿,是三对步足,又可划分为两组,每一组都是一边一条,另外两条,组成一个稳定的三角形,然后两组依次交替,这在超高速运动中能极大的保持平衡。

这种步态就是最优结果,你步足多了,反而无法构成稳定且可迅速切换的三角形,只能依靠顺序变换步足来前进,而步足是要消耗能量的,步足越多越是无法迅速切换了。

同样自然界也没说步足多的地方,六足就过不去。而且六足还能跳,还能飞。这些反而是蜈蚣这些做不到的。

那么你要问了,为啥人类不能六足?

其实很简单,人类就算六足,也无法高速运动了,因为体型增加,对于能量消耗,承载都是急剧上升的,哪怕再厉害的人类也做不到像蚂蚁那样高速的挥动手臂。

所以,大型动物基本都是四条腿,因为这才是合理的,六条腿的大型动物应该有过,但是因为体型大了导致六足反而不如四足,于是被淘汰了。

不同的不足是使用不同的步态系统的。谁适合谁存在。

六足之所以需要两队三角形步态,是因为相对昆虫的世界,它们的地面总是崎岖不平,所以需要高速平衡系统,且很多时候需要攀爬,六足结合吸盘挂钩也能更轻松的前进,而对于大型动物来说,那地势几乎是平坦的。崎岖程度完全不能和六足世界相比。所以这个时候更加灵活的四足反而可以进行超高速机动。

如果观察过就能知道四足的灵敏度是可以秒杀六足的。

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明显跑不过大部分四驱动物???!!!!

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