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Jan. 25 2019

史前動物怎麼走有學問!來看科學家如何破解

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  • 史前動物怎麼走有學問!來看科學家如何破解

「他們真的挑戰了對於已滅絕動物如何移動的研究。」

德國發現這具驚人完整的Orobates pabsti化石。PHOTOGRAPH BY PHIL DEGGINGER / ALAMY STOCK PHOTO

3億年前,地球上住著一種大小如小型犬的奇異生物,牠名叫Orobates pabsti。大多數人都不認識牠的名字,但是科學家認為這種動物和爬蟲類、恐龍、鳥,甚至哺乳類的最後共祖是關係很近的表親。

現在,科學家不但知道O. pabsti曾經漫步地球,他們還知道牠是怎麼走的。

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O. pabsti真的很特別──在骨骸化石和足印化石都保存良好的動物中,牠是目前出土最古老的一種。單看哪一種線索都不夠充分,但是將兩種放在一起就可以提供一套架構,讓科學家能從電腦模擬到使用真實的機器人,重建出這種古代動物的步態。

這項研究能幫助生物學家,了解動物移動方式演化成如今樣貌的時間和原因,而且可能成為進一步研究的先聲:了解我們的祖先從海中踏上陸地的方式。

舉例來說,科學家認為疾走於今日德國的O. pabsti可能長得很像凱門鱷。這叫人意外,約翰.內亞卡圖拉(John Nyakatura)說,他是柏林洪堡大學(Humboldt University)的演化生物學家,也是這篇1月中旬出刊在《自然》(Nature)期刊上的論文第一作者。科學家原本認為這個時期的動物移動方式可能更像蠑螈,四肢向外伸展而身體貼近地面。

另一方面,凱門鱷移動的時候會將軀幹懸在空中,許多科學家認為這種較先進的移動方式,是在數百萬年後會產卵的羊膜動物出場後才演化出來。

「如果Orobates和羊膜動物的最後共祖可能已經演化出這種先進的移動方式,那麼這種移動方式,似乎就和卵生動物的演化沒有關聯。」內亞卡圖拉說。

跟隨Orobates的腳步

為了更加了解O. pabsti如何昂首闊步,科學家首先依據這隻動物的骨骸建出3D數位模型。他們接著用電腦模擬O. pabsti以不同步態走出那些足跡化石的模樣。

很多動物都可以走出這樣的足跡,但是他們移動的形式會稍有個別差異,例如石龍子會讓四肢保持接近地面,而鬣蜥行走時則會將上半身抬起,研究共同作者卡米洛.梅洛(Kamilo Melo)說。他是瑞士洛桑聯邦理工學院(Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne)的生物機器人專家。

跑過512種模擬後,有些步態顯然在解剖學上不可行,內亞卡圖拉說,因為它們會迫使O. pabsti的骨頭相互撞擊,或導致牠的腕關節斷裂。

以機器人來模擬行走

然而有些變因無法在電腦模擬中精準呈現,例如重力、摩擦力與平衡,梅洛說。研究團隊想在現實世界中試試看,因此使用了仿生機器人OroBOT。

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動物的移動方式可以提供科學家許多關於其生活的資訊,而研究人員正是想藉此搜集更多這種如鱷魚般的遠古生物Orobates pabsti的資料。

藉由調整特定參數,例如移動時脊椎彎曲程度、四足能向外伸展多少、肩關節移動範圍,OroBOT可以排除更多候選步伐。有些步態會讓OroBOT踉蹌且跌地四腳朝天,梅洛說。而且這還不是最慘的情形。
「其實我們弄斷了它的一根肋骨。」他說。

最後,研究團隊決定了一種類似凱門鱷的步態作為最有可能的配對。不過為了確認他們的研究方法夠可靠,團隊回頭對凱門鱷與蠑螈等現生物種做了一樣的實驗,測試他們是否能夠單靠足跡與骨骸的數位模型來推測這些動物如何移動。當實驗結果呈現出了這些動物在大自然中實際被觀察到的步態時,團隊知道他們抓到些重點了。

「提出挑戰」

內亞卡圖拉強調這些技術以前都有人試過,但是在此之前都沒有人將它們全部一起投入單一詳盡的研究。「我想我們應該能為自己的發想感到頗為驕傲。」他說。

茱莉亞.莫爾納(Julia Molnar)是一名紐約理工學院(New York Institute of Technology)的比較解剖學家,她似乎同意上述評估,說這篇論文為這個領域設立了新標竿。

「他們真的挑戰了對已滅絕動物運動模式的研究。」莫爾納說。若將目光放遠,莫爾納說像O. pabsti這樣較不為人知的生物實在很有趣,因為牠們能夠協助我們了解我們的遠祖走上陸地生活的故事。

「我認為這還只是一個非常棒的故事中,很前面的部分。」莫爾納說。

撰文:JASON BITTEL

編譯:石頤珊

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