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為什麽蛇要把腿前進演化掉,用肚子行走?

2021-06-10知識

蛇:沒腿的蜥蜴

在全球大約1.1萬種現存爬行動物中,蛇的種類約占1/3,和蜥蜴聯手則可砍下超過95%的物種——這個「聯手」可不是亂聯的,蛇和蜥蜴關系很密切。它們倆同屬於「鱗龍類」,在2億多年前的三疊紀有共同祖先。

而按照如今分類,蛇和蜥蜴不是並列的兩個類群,而應該說蛇就是一類沒有腿的蜥蜴!

鱗龍類大致分類樹,蛇類屬於蜥蜴中的一支

但不能說,沒有四肢的蜥蜴就是蛇——蜥蜴裏面也有沒腿的,比如某些種類的蛇蜥。區分蛇和其他蜥蜴的關鍵,不是看腿,而是蜥蜴有眼瞼、能眨眼,蛇卻不行(具體原因後面說)。

既然蛇是一類蜥蜴,就說明它們原本有四肢,只是由於某種原因退化掉了。那麽,會是什麽原因呢?

水裏遊,還是地裏鉆?

由於長期缺乏原始蛇類化石,對於蛇類為何失去四肢,古生物學家曾提出兩種假說:

水生說: 認為蛇類的祖先有過一個水生階段,在水裏遊泳四肢用不上,就退化了。有些身體細長的水棲蠑螈沒有腿,另外蛇類的近親——白堊紀海洋霸主滄龍也是水生,可作為佐證。

地生說: 認為蛇類的祖先曾像蚯蚓一樣在地下打洞生活,從而失去四肢。今天的蚓蜥、盲蛇等就有類似習性,在地下掘土捕蟲為生。

鉤盲蛇(Ramphotyphlops braminus)主要在森林落葉層和地下生活,外表和大小都像蚯蚓,眼睛隱於鱗片之下。

所幸20世紀末以來,越來越多的原始蛇類化石出土,逐步揭曉了蛇類起源的秘密。已知最早的蛇類,是距今1.67億年前(中侏羅世)的黎明蛇( Eophis )。它的頭骨、牙齒結構已大致具備了蛇的特征,但由於化石不完整,還不能確認它有沒有腿。

侏羅紀原始蛇類——小盜蛇(Parviraptor,上)、葡萄牙蛇(Portugalophis,中)以及現代蟒(下)的頜骨對比。
原始四腿蛇吃小獸的模擬圖

2015年,科學家發表了第一種能確認的四條腿古蛇——就叫「四足蛇」( Tetrapodophis )。它生活在1.13億年前(早白堊世)的巴西,全長約16厘米,有四條小短腿。四足蛇身上沒有適合遊泳的扁尾巴等特征,頭骨、身體骨骼卻挺適合挖洞。它的腿小到無法用來爬行,或許只能幫助抓住獵物、或者交配時抓住配偶。不過,比它更早的蛇類,卻有只剩兩條後腿的!這說明原始蛇類的各個類群,演化並非是單一方向。

四足蛇化石,四條腿小到難以發現

目前已知最早沒有腿的蛇,是阿根廷的恐蛇( Dinilysia ),生活在距今約9000萬~8400萬年前。其耳道結構很像今天的盲蛇、閃鱗蛇等穴居蛇類,基本能確定它在地下生活。恐蛇體長可達1.5~1.8公尺,可能會捕食地下的昆蟲、小型哺乳類,甚至埋在土裏的恐龍蛋。

恐蛇的復原圖

一些古生物學家認為,大部份現代蛇類的祖先,可能就是恐蛇這樣的穴居蛇,比恐蛇年代稍早、生活在9000萬年前的納氏蛇( Najash ),卻仍有兩條小小的後腿,身體也顯示出穴居特性。

納氏蛇復原圖

作為爬行動物中最年輕的一支,不走尋常路的原始蛇類,在地下闖出了一片天。恐龍時代結束後,蛇家族迎來大發展,大部份種類回到地面生活。

不過,在體型最大的蛇類——蟒科和蚺科身上,還有沒退化幹凈的後肢遺跡。科學家們還發現,蛇類仍保留著生長四肢的基因,只是正常情況下長不出來。

黃金蟒身上的殘留後爪,交配時能抓住對方

地下生活的銘印

在今天的蛇身上,依然能看到當年鉆洞生活留下的銘印。因為鉆洞,它們的身軀變成了一條細長管子,頭骨之後只剩脊椎骨和肋骨(僅蟒科、蚺科有後肢骨骼殘余),少則100多節,多則400多節。

包進長管子裏的五臟六腑,也被擠得奇形怪狀:肝臟拉成長條形,左右腎臟不對稱,膀胱消失,腸道縮短,大部份種類(蟒、蚺再次除外)只剩一個右肺,左肺退化沒了。最大贏家是蛇的胃,它空間充足,富有彈性,如同一個堅韌的膠皮袋,能裝下蛇吞掉的整只獵物。

擠在「管子」裏變形的蛇內臟

前面說,蛇和蜥蜴的關鍵區別,是蛇沒有眼瞼,從不「閉眼」。但實際上,是蛇從不睜眼——蛇類的雙眼,永遠被一層相當於眼皮的透明鱗片覆蓋著。這也是地下生活的痕跡:鉆洞生活的蛇類祖先,上下眼瞼融合在一起,覆蓋雙眼以免受傷,視力也嚴重退化。蛇類重回地面後,這層「眼皮」變得透明,視力重新改善。不過蛇的眼神至今還是不好,而且每次快蛻皮時都會暫時失明。

蛇眼

沒四肢,靠履帶走路

失去四肢的蛇類,卻長出了一條「履帶」——它們的身體下方(腹面),有一長排寬大、堅實的矩形鱗片,稱為腹鱗。每片都對應一節脊椎和一對肋骨,由發達的肌肉群帶動。腹鱗就像坦克履帶上的履帶齒,能提供強大的抓地力。

蛇爬行時,體側肌肉群有節奏地擴張、收縮,帶動肋骨前後左右移動,腹鱗也隨之摩擦地面,從而產生反作用力,推動身體。根據不同地形,蛇主要有四種運動方式。

蜿蜒運動: 蛇最典型的行進方式,身體像波浪一樣左右彎曲,斜側推進,呈「S形」扭動著往前。

適用範圍:地面爬行、遊泳

蜿蜒運動(繪圖:孟凡萌)

直線運動: 像毛毛蟲一樣「蠕動」,身體從前往後擠壓地面,靠反作用力往前推。

適用場合:透過狹窄縫隙時,以及蟒蛇等大型蛇類運動

直線運動(繪圖:孟凡萌)

伸縮運動: 擡起頭頸和前半身,盡力前伸,夠到支撐物時再把後半身拉上去。

適用場合:爬樹、攀巖

伸縮運動(繪圖:孟凡萌)

側向運動: 迅速擺動身體,在地面摩擦滑行。

使用場合:摩擦力較小的沙地、水泥地

側向運動(繪圖:孟凡萌)

主要參考文獻:

[1]The burrowing origin of modern snakes,Hongyu Yi,Mark A. Norell Science Advances 27 Nov 2015:Vol. 1, no. 10, e1500743 DOI: 10.1126/sciadv.1500743

[2]The origin of snakes: revealing the ecology, behavior, and evolutionary history of early snakes using genomics, phenomics, and the fossil record, Allison Y Hsiang, Daniel J Field, Timothy H Webster, Adam DB Behlke Hsiang et al. Evolutionary Biology (2015)15:87 DOI 10.1186/s12862-015-0358-5

註:文中圖註部份拉丁文應為斜體,受格式限制無法顯示,特說明。

作者 | 何全

編輯 | 碎碎