为什么是五个手指 ——热门黑科技与冷知识

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作者:瞭望智库

出版社:现代出版社

出版时间:2019年05月

ISBN:9787514377385

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编辑推荐

★拥有450万粉丝,全平台阅读量25亿 ,新华社旗下高端智库——瞭望智库以*前沿的科技观察,揭秘人类与世界的过去、现在与未来。

 

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★为什么是五个手指:这个简单的数字背后,其实隐藏着神秘的进化逻辑密码,甚至事关这个物种的生存大事。

 

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/星际穿越如何不迷路:如果将来人类飞到太阳系以外,世界各国的多种自主导航方法,无论是惯性导航、卫星导航,还是天文导航和地磁导航等都会失效。那茫茫宇宙我们靠什么来导航呢?脉冲星的信号!

 

/基因武器:对蚊子的部分基因进行修改,使其只产生雄性后代,这样,蚊子就失去繁衍能力,最终导致该物种的消亡。

 

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/为什么这个年代更和平了:以前,财富主要是稻田、金矿、奴隶、牛群等这样的有形资产,打仗是获取这种财富的唯一捷径。而如今,你却很难靠战争来获取知识型财富。

 

 

内容简介

量子通信、暗物质、无人驾驶、基因武器、星际穿越、人工智能、人造子宫……为什么人手是五个手指,而不是四个或者六个?蜜蜂消失,人类只能存活4年?让人焦虑的杨絮背后,隐藏着“拯救”北京的秘密?蚂蚁王朝上演着怎样的宫斗剧?羊这种动物竟然是个狠角色?

 

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书摘 · 插画

作者简介

瞭望智库

瞭望智库是中央推动媒体融合发展、建设中国特色新型智库大潮中的第一家媒体型智库。2015年年底,新华社获批为党中央、国务院、中央军委直属的首批10家国家高端智库试点之一。瞭望周刊社作为新华社国家高端智库的公共政策研究中心,是国家高端智库建设的重要组成部分,与先期成立的瞭望智库一体化运作。

为什么人类是五个手指,而不是四个或者六个?这是生死存亡的大事

 

导语:与众不同的事物,往往给人神秘莫测的感觉。香港作家倪匡曾经创造过“六指琴魔”这个著名武侠形象。这个形象之所以令人印象深刻甚至心生恐惧,正是因为异于常人的“六指”特征。我们习惯于自己的五指,却很少思考为何如此。为什么人类恰好是五个手指而不是四个或者六个呢?

 

试想,假如我们每只手都有十根手指,弹起钢琴来该是何等行云流水。然而人类放着这种便利不要,非要“拘泥”于“五”。这个简单的数字背后,其实隐藏着神秘的进化逻辑密码,甚至事关这个物种的生存大事。

 

“五指”是陆生动物的“正统”

五指的人类并不孤独,这其实是一种普遍的生物现象。其他哺乳动物虽然没有分出手脚,但四肢末端大多同样是五个分支,称为五趾型附肢,只有部分动物例外。因此,简洁起见,不分手指和脚趾,统称“五趾现象”。五趾现象古已有之。化石证据证明,早在三亿多年前,刚刚诞生在地球上的青蛙和蜥蜴等两栖类动物,就出现了典型的五趾结构。

 

当然,同时存在的其他原始动物不都是五趾,比如棘龙有八根趾骨、鱼龙七根,只不过它们大都有尾鳍和腮等水生器官,主要在水中生活。这说明什么呢?五趾其实是脊椎动物从水生向陆生进化的重要节点。

 

从这些“始祖”两栖动物以后,这个世界就出现了大量的五趾动物,它们可能是两栖动物,也可能是爬行动物,或者是鸟类和哺乳动物。哺乳动物中的灵长类有一支最终进化成了人。所以,人类的“五趾”不是突如其来,我们只是“继承”了这种设计,直到如今(一般认为,哺乳动物由爬行动物进化而来,而爬行动物由两栖动物进化而来,因此在这条进化链中,两栖动物具有“始祖”意义)。

 

为什么动物从水中“登陆”就需要变成五个趾头呢?动物要想在陆地方便地活动,四肢的粗细要合适,既要足以支撑身体,又不失灵活。有了合适的四肢,还需要合适的趾骨。所有趾骨都必须长在四肢末端,就像树干分叉出枝杈一样,不能比主干还粗。趾骨的数量与粗细程度,必须符合实际需要,并受到四肢粗细的制约。

 

那么,几个趾骨才最合适呢?自然选择给出的答案是:五个。现在认为,五趾动物祖先之所以登陆成功,就是因为五趾在支撑身体与灵活程度之间达到了平衡。至于有些动物出现了趾骨增加,数量多于五个,比如熊猫;或者趾骨减少,少于五个,比如马,都不足以否定“五”的“正统”和权威性。因为这个少和多,都只是合并或者增生的结果,其趾骨的基础底数,依然是五。目前统治陆地的哺乳动物几乎都遵循这一原则,人类不过是其中的代表。

 

“例外”是如何发生的?

“五趾”是陆生动物进化的出发点,这恐怕还不足以解释人们的全部疑惑。因为,“例外”看起来实在是太多了。有些动物的趾骨呈现了明显的减少趋势。比如鸟类的趾骨出现了合并现象,一般是三趾向前,一趾向后,只剩下了四趾;而鸵鸟的合并更进一步,只剩下了两根脚趾;猪属于偶蹄类动物,只有两根脚趾;马则只保留了一根脚趾,所以称为奇蹄动物;改变最彻底的当属蛇,它们不但没有脚趾,索性连四肢也一并删除了,因为它们根本不需要支撑身体。如今自然界已经出现了从0到8趾甚至更多的脚趾。

 

有人据此认为,即便它们趾数的增减只是合并或增生的结果,这些外形上的“变异”似乎也在表明五趾结构并非必须,只是自然界发生的无数偶然事件中的一件而已。这些“变异”的发生,的确是各种动物不同的需求造成的。

 

动物能够在地面生活,趾骨就得有能力支撑起身体。而支撑能力与趾骨数量密切相关。数量越少,趾骨就越粗;数量越多,趾骨就越细。而另一方面,趾骨越粗,支撑能力就越强,而趾骨越细,灵活性就越高。所以在陆生哺乳动物中呈现这样一种趋势——体型越大,对支撑力需求越高,趾骨数量就越少。马的体型不如水牛与河马,但马的奔跑速度更快,对趾骨的冲击力更强,所以只保留了一根粗壮的趾骨——马蹄,其余全部退化。而水牛与河马虽然体型巨大,但是行动缓慢,河马甚至有很长时间都待在水里,大大减轻了对趾骨的压力,所以两根趾骨也足以支撑。

 

小动物们则是另一番情形,比如老鼠因为体重较轻,所以完整保存了五趾结构;更小的鼹鼠甚至出现“六趾”——多出一根假趾骨,因为鼹鼠毕生都需要不断地挖掘,六趾可以提高挖掘效率。而趾骨少而粗的动物如马从来都不会挖洞,因为它们的蹄子太强壮而失去了应有的灵活性(现存体型最大的陆生哺乳动物大象是个例外。以它的体量似乎应该跟马一样保留一蹄,但实际却为前四后三〔非洲象〕或前五后四〔亚洲象〕。这是因为它们既需要强大的支撑力,又需要足够灵活性来挖掘水源和草根。这才出现如此奇特的趾骨结构)。

 

再来看看人类,人类只用脚走路,因此得把手脚分开看待,情况更为复杂。人类直立行走的独特方式,体重全部由双腿承担,压力比四足动物增加一倍。按照这个逻辑,以成年男性平均体重70公斤为例,应该采用与体重140公斤的动物相同的趾骨结构才对,那大致相当于野猪的体重。也就是说,正常情况下,人类本来应该跟野猪一样只有两个脚趾。

 

除了“双倍体重”,人类还面临着长途奔跑的挑战。在所有哺乳动物中,人类的长跑能力可谓出类拔萃,甚至可以与马一较高下。趾骨支撑能力不足的话,奔跑产生的热量过多,甚至会引起中暑崩溃。人类已经通过脱去毛发解决了散热问题,但奔跑时产生的巨大冲击力对双腿仍然是严峻的考验。因此,人类的脚趾理应比野猪更加粗壮才行。难道人类应该和马一样只有一个脚趾?听起来匪夷所思,但事实正是如此。单从脚来说,人类也从五趾“正统”发生了“变异”,从本质上来看,人类就是奇蹄动物。

 

仔细想想,我们的双腿,其实并不依靠脚趾支撑。同时脚趾的灵活性也大幅降低,很少有人能用脚趾弹琴或做工。人类五个笨拙的脚趾实际上已经处于退化的边缘,小脚趾甚至都快要消失了。支撑体重与奔跑冲击力的重任,其实是落在了脚后跟和脚掌上。只要看看脚后跟的粗细,就会明白,那简直就相当于人类的“马蹄”。

 

然而,说了这么多“变异”特例,对于很多动物来说,似乎五趾并不适应它们的需求,但是为什么它们无法摆脱五趾结构的束缚呢?熊猫和鼹鼠的“六趾”帮助它们更好地生活,但其实它们都没有进化出真正的六趾,而只是用腕骨上的突出部分“冒充”六趾。人类也是一样,虽然五个脚趾已经变得弱小不堪,失去了实际作用,却还要“死皮赖脸”地保持“五”这个数字。这背后似乎有双无形之手,在“强行”维持着它们的五趾结构。

 

如果不是五趾会怎样?

数字本身,并没有什么魔力。有人认为,五趾结构可能确实是一种必然,但却非生物学必然,而是几何学必然,是分形几何的结果。就像树枝不断分叉一样,表面看起来没有什么秩序,却遵循分形几何原理,并最终呈现特定的图案。但是,这无法解释五趾的“变异”,难道一蹄的马就不需要遵循分形原理吗?

 

那保持五趾的必要性究竟在哪里?一般来说,一种生物结构能够长期占据主流,往往是日积月累,在漫长的进化时间内不断表现出生存优势,最后使得不符合这种结构的劣质性状遭到淘汰。那么,五趾结构到底是否带来了生存优势?要回答这个问题,不如逆向思维:如果不是五趾,动物会怎样?

 

以我们人类来说,双脚已经失去了灵活性,幸好我们的双手已经被解放了出来,是所有动物中最灵活的。那么人类为什么不多出一根手指让灵活性更佳呢?

 

其实人类真的有长出六根手指的能力。有一种叫作多趾症(polydactyly)的疾病,无论人、狗、猫还是老鼠,都可能出现这种突变。患者会无故多出一根趾骨,而且多出来的趾骨与附近的趾骨相似,比如大拇指旁边就会多出另一根大拇指,而不是其他手指。这种多趾症与熊猫的六趾完全不同,可以说是“真正”的六趾。

 

多趾症是基因突变的结果,是一种常见的隔代遗传疾病,轻易不会从群体消失。大约每500个新生婴儿中,就有一个六指畸形。试想一下,在一个两万人的大学内,至少应该出现40名六指(趾)的学生,可实际生活中我们很少看见这种情况。这是因为人们大多选择在多趾症婴儿出生时就直接剪掉多出的趾头,处理很方便。也就是说,我们拥有长出六指的能力,却并不想要。这暗示了一种可能,即多趾性状不但没有优势,反而可能还会造成生存障碍。

 

这是真的。研究人员已经在小鼠身上发现了多趾症制造的麻烦。在实验中,当负责脚趾基因的数量减少时,小鼠容易出现六趾。但多出一根脚趾,并没有提高它们的灵活性;相反,由于在有限的空间里出现了多余的趾骨,导致趾骨容易因挤压而变形弯曲,甚至无法平放在地面,连正常的行走功能也失去了。小鼠还有一种基因突变疾病,叫作双足突变(doublefoot),这会使它们每只脚都会长出十个脚趾。结果就是四只脚都完全失去了支撑功能和灵活性,只能靠脚踝行走,在自然状态下肯定无法生存。

 

所以,理论上的“脚趾越多越灵活”在突破“五”这个基数之后并不成立。多趾性状并非“多多益善”,而是受到严格控制。至于其中的奥妙,分子生物学已经给了我们答案。