问题

人的手指为什么是5根,有什么进化学意义吗?

回答
人为什么长着五根手指,这是一个看似简单却蕴含着深刻进化意义的问题。实际上,五指是哺乳动物肢体普遍的“原始蓝图”,而人类继承并适应了这一特征,并在其基础上发展出精细的抓握和操作能力。

一、 五指的起源:四肢动物的共同祖先与“五指症”

我们人类的五指并非凭空出现,而是可以追溯到我们遥远的四肢动物祖先。早在距今约3.6亿年前的泥盆纪晚期,一些生活在水中的鱼类,如肺鱼的祖先,开始尝试爬上陆地。这些早期四足动物,为了适应陆地环境,演化出了能够支撑身体、用于行走的四肢。

这些早期四足动物的肢体,就已经具备了“多指(polydactyly)”的特征,即拥有比我们现在五根手指更多的指。 比如,一些早期的化石证据表明,它们的肢体上可能有6到8根甚至更多的指。这似乎与我们现在的五指并不一致,但关键在于,“多指”是那个时期肢体演化的一个普遍趋势。

那么,为什么最终演化成了五指呢?这涉及到一种叫做“同源性”(homology)的概念。同源性指的是,不同物种的某些结构,虽然在形态和功能上可能有所不同,但它们在胚胎发育中起源于相同的结构,并且由相同的基因调控。

哺乳动物的五指之所以被称为“五指症”(pentadactyly),是因为它们共享一个共同的进化起源。这意味着,从早期四足动物的“多指”肢体中,存在着一个“基本骨骼结构”,即使在多指的情况下,也存在着重复和延伸的模式。

在进化过程中,选择压力起到了关键作用。 随着四足动物在陆地上的活动越来越频繁,它们的肢体需要更有效地支撑身体、进行爬行、挖洞或捕食。在这个过程中,肢体的结构不断被“打磨”和“优化”。

二、 五指的演化优势:平衡、稳定与灵活性

虽然具体的原因仍在研究中,但普遍认为,五指结构在进化上具有以下优势:

最佳的支撑与稳定性: 在早期陆生脊椎动物的演化过程中,五指的组合被证明是一种能够有效支撑身体重量的结构。它提供了一个相对宽阔的接触面,有助于在不平坦的地面上保持平衡。过多或过少的指头,可能在某些方面会带来不便。例如,过多的指头可能导致协调性下降,而过少的指头可能无法提供足够的支撑和抓地力。
适应性强: 五指的结构具有相当大的可塑性,能够适应各种不同的环境和生活方式。虽然我们人类拥有五根手指,但其他哺乳动物的五指结构也演化出了各种形态:
马和牛: 它们的第二个和第五个指头已经退化,大部分重量由第三个指头承担,这使得它们能够快速奔跑。
猫和狗: 它们也保留了五根手指(前肢)和四根脚趾(后肢),用于抓握、挖掘和奔跑。
蝙蝠: 它们的五个手指都得到了极大的延长,并且被膜连接起来,形成了翅膀,用于飞行。
鲸鱼和海豚: 它们的五指结构被包埋在鳍状肢中,用于在水中划水和转向。
进化的“惯性”或“保守性”: 一旦一个成功的结构蓝图被建立起来,并且被基因网络很好地支持,那么在后续的进化中,维持这个结构往往比进行大规模的改变要容易。改变基础的基因调控网络来移除或增加一个指头,可能会带来许多其他不良的副作用,因为许多基因的表达和功能是相互关联的。因此,在很多情况下,进化更倾向于在现有结构上进行微调,而不是从头开始重新设计。

三、 人类五指的特殊意义:精细操作与脑力发展

对于人类而言,五指的意义远不止于支撑和移动,更在于其精细操作的能力,这极大地促进了人类的认知发展和社会进步。

对偶关系:拇指与其余四指的对偶
人类最显著的五指特征之一是相对对偶的拇指(opposable thumb)。这个拇指可以与其余四指相对,形成一个强大的抓握力,让我们能够拿起、捏住、转动和操纵物体。
拇指与其他四指的对偶是人类独有的(至少在哺乳动物中是极为罕见的,一些灵长类动物也有程度不等的对偶能力)关键进化优势。 它使得我们能够:
制造和使用工具: 从最早的石器到现代的精密仪器,正是这种精细的抓握能力,让我们能够制造和熟练使用各种工具,极大地扩展了我们的生存能力和改造世界的能力。
进行精细的劳动: 缝纫、绘画、书写、弹奏乐器等需要高度精细操作的活动,都离不开五指,尤其是灵活的拇指。
感知和探索世界: 手指的皮肤富含神经末梢,能够感知物体的纹理、温度、形状和大小,为我们提供了丰富的触觉信息,帮助我们更深入地了解和探索周围的世界。

大脑的协同发展: 手部精细操作的能力与大脑的演化是密切相关的。
控制和协调手指运动需要极其复杂的大脑区域,如运动皮层和感觉皮层。
随着人类制造和使用工具的能力不断提高,对大脑进行精细化操作的需求也随之增加,这反过来又促进了大脑皮层,尤其是前额叶皮层的发育,从而带来了更高级的认知能力,如规划、解决问题和抽象思维。
因此,五指的精细操作能力和人类大脑的发育,可以说是相辅相成,共同推动了人类文明的进步。

四、 五指的“不变”与“变化”

尽管“五指症”是哺乳动物的普遍模式,但并非所有脊椎动物都遵循这一规律。例如:

鸟类和恐龙: 它们的翅膀和前肢在进化过程中经历了显著的融合和变化,手指的数量和形态都发生了很大改变。
马、牛等偶蹄类动物: 如前所述,它们的某些手指退化,只保留少数几根。
蛇等无足动物: 它们则完全失去了肢体。

这说明了进化并非一成不变的规则,而是在适应环境的过程中不断进行的“试错”和“优化”。 五指之所以在人类身上得以保留并发挥如此重要的作用,是因为它在漫长的进化过程中,为我们提供了在生存和繁衍方面的相对优势。

总结:

人类的五根手指是继承自我们四肢动物祖先的“原始蓝图”,并在漫长的进化过程中被保留下来。这种结构在支撑、稳定和适应性方面具有优势。而对于人类而言,“相对对偶的拇指”更是关键的进化特征,它赋予了我们出色的精细操作能力,从而驱动了工具的制造与使用,并与大脑的协同发展,共同造就了人类的智慧和文明。

所以,下次当你看到自己的五根手指时,不妨想想它们背后所蕴含的亿万年进化的智慧和故事。它们不仅是身体的一部分,更是人类独特能力和辉煌文明的基石。

网友意见

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人的手指为什么是5根,有什么进化学意义吗?

其中有一个关键因素是同源异形基因Hox genes)。

与植物的形态发育有许多组决定性基因不同,几乎所有动物的形态发育都依赖于Hox基因[1]。

这可能是因为左右对称和体节模式对动物太重要了。

棘皮动物虽然也使用Hox基因,但由于某些原因导致其Hox基因出现高变异,导致在其他动物中内脏不对称分布的Hox基因使棘皮动物完全失去左右对称,例如:海扁果类,虽然又变异出五角型轴对称[2]。其代价是,大多数棘皮动物都只能是底栖的过滤食生活或移动缓慢。

大多数动物中Hox基因的变异较少,新的结构总是依赖于旧基因。

当新的体节或结构形成时,仅仅是叠加旧的基因以改变体节的数量,然后在此基础上进行修改。

例如,苍蝇的触角和腿共享大量相同的编码。当头部的大部分结构已经完全发育,但触角尚未发育时,如果把头部的基因通过表观遗传技术“关闭”,那么苍蝇的头部将长出腿来[4] 。

鳍的对数与之类似。最初只进化出了胸鳍。后来出于身体支撑的需要,骨盆独立发育出来,然后胸鳍的Hox基因被平行转移至骨盆,形成了腹鳍[3]。

在此基础上,也可以想像与《人马小姐不迷茫》中出现的一样,在肋骨上再通过Hox基因平行转移形成一对肢体。

具体到手指,因为早期四足动物有五个手指,它们的后代,除了少数动物如马在特化后一些指头消失了,大多数四足动物是四指或五指[1]。熊猫和棘螈前肢的更多的也是在五指的基础上改变掌骨表达形成的,并没有突破五指的模式。


为什么早期四足动物有五个手指。已经在对小鼠和青蛙的实验中通过诱导多指畸形进行研究,单一个手掌上手指数超过10个时,老鼠和青蛙都不能保持正常站立。与此同时,在早期的两栖动物中,仍然需要脚蹼承担鳍功能,手指数越多越有利于划水,五,可能是一个最平衡的数字。

五个指头除了可以在物理上平衡爬行和划水的效率以外,在遗传水平上也是一个平衡的数值。

编码手指的Hox基因的表达方式是一个一个叠加起来的,在第一个手指上表达一种Hox基因,在第二个手指上表达两种Hox基因,依此类推,在第十个手指上需要表达十种Hox基因[4]。

因此,由于多一个手指就需要叠加表达一个基因,手指实际上有保持较小数字的趋势。

然而,基于支撑鱼鳍的需要,鱼类又已经进化出来了更多的指骨。因此,手指在四足动物登陆的期间是一种重新减少的过程。

而在这个加/减两种趋势相互拮抗的过程中,五这个数字似乎在遗传学和力学方面都是最佳选择。

以上基本可以解释为什么大多数四足动物一只手掌上的手指个数基本上都是五个。它可以完美地解释为什么不是七个或三个手指,不过还是不能完全排除四个或六个手指。也许在这里,最终是五个手指被选择下来,仍然有一种历史偶然性。

英文版:Why do human beings have five fingers on each hand?

日文版:なぜ人間の指は5本なのですか?


参考文献

[1] Meyerowitz E M. Plants compared to animals: the broadest comparative study of development[J]. Science, 2002, 295(5559): 1482-1485.

[2] Mooi R, David B. Radial symmetry, the anterior/posterior axis, and echinoderm Hox genes[J]. Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics, 2008, 39: 43-62.

[3] Struhl G. A homoeotic mutation transforming leg to antenna in Drosophila[J]. Nature, 1981, 292(5824): 635.

[4] Tabin, Clifford J. "Why we have (only) five fingers per hand: Hox genes and the evolution of paired limbs." Development 116.2 (1992): 289-296.


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