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Science:尾巴从水中到陆地的演化

摘要 : 2016年7月8日,国际顶尖学术期刊《Science》杂志上在线发表了美国乔治亚理工学院Daniel I. Goldman研究员的一篇研究论文,研究报道当早期脊椎动物从水中出现时,它们的尾巴可能对帮助它们在陆地游走起着关键作用。

2016年7月8日,国际顶尖学术期刊《Science》杂志上在线发表了美国乔治亚理工学院Daniel I. Goldman研究员的一篇研究论文,研究报道当早期脊椎动物从水中出现时,它们的尾巴可能对帮助它们在陆地游走起着关键作用。这些基于动物和机械模型以及数学分析的结果或能对了解地球上陆地生命的起源提供线索。在大约3.85亿至3.6亿年前,生命体首先出现在海洋深部的水中,接着,早期的四足动物开始登陆;但是,这些动物所适应的是水中生活,它们必须找到独特的方法让它们能在陆地上行动,而海岸线所呈现的颗粒状表面和倾斜的海岸更给其行动增添了挑战。为了更多地了解这些动物的这一早期运动,Benjamin McInroe和同事对现代弹涂鱼的动作进行了研究,这种鱼有时喜欢用其鳍在陆地上“溜达”,并偶尔会用尾巴做腾跃动作。研究人员发现,在平地上,尾巴对横向运动的益处甚微。然而,随着表面坡度增加(如人们沿着河岸可能见到的),尾巴在帮助弹涂鱼向前行进的过程中显然变得更为重要。例如,在坡度为10⁰时,在弹涂鱼完成的所有“步数”中,有大约三分之一用到了尾巴;当坡度升到20⁰时,尾巴使用的比例超过了一半。而在平地上前行时,它们基本上不用尾巴。该团队还制造了一个能模拟弹涂鱼和早期四足动物不同动作的机械装置,并通过操纵其肢体来更好地了解鱼鳍和鱼尾如何协调而将鱼体在陆地上向前推动。作者们显示,在平地上,角度是该机械鱼用“鳍”向前移动身体的关键;在坡度较陡时,与弹涂鱼的情况相似,机械鱼的尾巴成为其横向运动的主导因子。相同地,机械鱼的尾巴可用于锚定身体,使它不会沿着斜坡往回下滑。由John Nyakatura撰写的《视角》对这一研究做了更详细的讨论。

原文链接:

Tail use improves performance on soft substrates in models of early vertebrate land locomotors

原文摘要:

In the evolutionary transition from an aquatic to a terrestrial environment, early tetrapods faced the challenges of terrestrial locomotion on flowable substrates, such as sand and mud of variable stiffness and incline. The morphology and range of motion of appendages can be revealed in fossils; however, biological and robophysical studies of modern taxa have shown that movement on such substrates can be sensitive to small changes in appendage use. Using a biological model (the mudskipper), a physical robot model, granular drag measurements, and theoretical tools from geometric mechanics, we demonstrate how tail use can improve robustness to variable limb use and substrate conditions. We hypothesize that properly coordinated tail movements could have provided a substantial benefit for the earliest vertebrates to move on land.

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