如今的德国中部游荡。它不像当时已知的大多数四足动物那样,腹部低至地面,四肢向两侧伸展;相反,它走得更高,把四肢蜷在身体下面,以获得更挺拔的姿势。这是一项新的多学科研究的成果,该研究重建了这种灭绝已久的动物——Orobates pabstio——的运动方式——部分是通过开发一种动物的机器人版本来测试各种步态的物理特性。越来越多的证据表明,教科书中关于四肢动物何时以及如何征服陆地的描述需要修改。
四足动物大约在4亿年前的泥盆纪开始在水中出现,它们是从有肉鳍的鱼类进化而来的。它们最终在陆地上的定居是脊椎动物进化的一个重要事件。在这种转变的传统观点中,早期陆生四足动物在很大程度上局限于以蝾螈和蜥蜴那种低吊、起伏的方式移动。大约2.51亿年前,也就是二叠纪末期,它们才开始进化出不同的运动方式,帮助它们进入陆地上新的生态环境。故事是这样发展的。
科学家们认为,一种更直立、更平衡、更节能的移动方式的发展,将是这一转变过程中的一项关键创新。这一创新为羊膜——包括爬行动物、鸟类和哺乳动物在内的物种谱系的重大多样化奠定了基础。诀窍在于从化石记录中找出哪些动物是第一个以这种方式行动的。为了达到这个目的,周四发表在《自然》(Nature)杂志上的一项关于口足类动物的新研究汇集了大量化石和活体动物的数据,并使用一系列尖端工具对其进行了分析,以展示这种古代四足动物(是导致现代羊膜动物谱系的近亲)是如何行走的。这些结果有助于改写四足动物运动进化的时间线。
Orobates是这种研究的理想对象。首先,它以完整的骨骼为代表——这在二叠纪化石中是罕见的。另一方面,它与化石脚印的轨迹有关,这与化石的足部解剖结构非常吻合。此前对恐龙骨骼和轨迹的研究表明,恐龙走路时,腿的位置可能更靠近身体的中线,而不是四肢伸开。为了测试这种可能性和其他可能性,柏林洪堡大学(Humboldt University of Berlin)的约翰·尼亚卡图拉(John Nyakatura)和他的同事开发了一种动物的计算机模型,该模型基于化石骨骼中明显的解剖结构,以及现存四足动物的生物力学数据。研究人员使用这个模型来确定化石动物的活动范围。他们还开发了一个计算机模型,使他们能够计算出在不同类型的运动中作用在轮齿上的物理力。他们建造了一个机器人版本的Orobates,被称为OroBOT,他们用它来验证后一个模拟在真实世界条件下的结果。化石脚印为模拟提供了一个关键的限制:步态需要与足迹匹配,才能被认为是可信的。
研究小组用他们的模型测试了数百种步态,以确定哪一种可能是Orobates所采用的步态。最后,他们认为古代四足动物最可能的行走方式是类似凯门鳄(鳄鱼的一种)的运动,
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Nyakatura和他的同事们“让我们在没有时间机器的情况下尽可能地接近”了解Orobates是如何行走的,加州州立大学圣贝纳迪诺分校的古生物学家Stuart Sumida说,他是二叠纪四足动物方面的专家,没有参与这项新研究。苏米达在2000年发现了Orobates,她指出,在早期陆地四足动物中,Orobates并不是唯一一种暗示其运动多样性的动物。他和他的同事展示了另一种来自德国同一化石产地的动物,Eudibamus cursoris,可以用两条腿跑。Sumida说:“动物运动能力的范围比我们想象的要大得多。”如果这项实验早在2.9亿年前就开始了,那将改变研究人员对羊膜增多的理解。他补充称:“这可能会更循序渐进。”