研究人员揭示了关于导致今天胎生和有袋类哺乳动物独特直立姿势的复杂进化历程的新发现。这种转变被证明远比以前认为的更复杂和非线性，并且发生在历史上显著较晚的时间。
哺乳动物，包括人类，因其特有的直立姿势而与众不同，这是一项推动其显著进化成就的重要特征。然而，当前哺乳动物已知的最早亲属更类似于爬行动物，其四肢侧向延展，呈现扩展的姿态。
从类似蜥蜴的扩展姿态演化到当代哺乳动物（包括人类、狗和马）所观察到的直立姿势，代表了一个重要的进化里程碑。这一转变需要对四足动物的肢体解剖和功能进行重大重组，尤其是在包括哺乳动物及其非哺乳动物前身的合弓目中，最终导致了有胎盘哺乳动物（有袋类和胎生类）的出现。尽管进行了超过一百年的研究，但“如何”、“为什么”和“何时”这种进化进程发生的确切机制仍不清楚。
在最近发表在Science Advances上的一项研究中，哈佛大学的科学家们对此问题提供了新的见解，表明哺乳动物从扩展到直立姿势的转变相当复杂。通过采用将化石证据与复杂生物力学建模相结合的先进技术，研究小组发现这种转变以非线性方式展开，并且发生的时间比早期假说所暗示的要晚得多。
首席作者彼得·毕晓普博士是一名博士后，和哈佛大学生物有机与进化生物学系的高级作者斯蒂芬妮·皮尔斯教授一起通过分析五种当代物种的生物力学展开了他们的研究，展示了包括一种蜥蜴（扩展姿势）、一种鳄鱼（半直立）和一种灰狗（直立）在内的完整四肢姿势范围。
毕晓普解释道：“通过首先研究这些现代物种，我们增强了对动物解剖与其姿势和运动之间关系的理解。这让我们能够将姿势与步态如何从早期合弓类动物进化到现今哺乳动物进行了上下文化。”
研究人员将分析扩大到包括来自四个大陆的八种化石物种，覆盖了3亿年的进化。这些物种的体重从35克的轻型原始哺乳动物Megazostrodon到重达88千克的Ophiacodon，包括众所周知的化石如背帆的Dimetrodon和剑齿捕食者Lycaenops。通过应用物理学和工程学的原理，毕晓普和皮尔斯创建了数字生物力学模型，展示了这些物种肌肉与骨骼之间的关系。这些模型便于模拟评估它们的后腿（后肢）对地面施加的力量。
毕晓普表示：“四肢对地面的施力能力是衡量动物运动效率的关键指标。如果无法以所需方向产生足够的力量，动物可能难以快速奔跑、快速改变方向，或有摔倒的风险。”
计算机模拟产生了一个三维的“可行力空间”，代表了四肢的整体功能表现。“可行力空间考虑了四肢肌肉、关节和骨骼之间的所有潜在相互作用，”皮尔斯详细说明。“这提供了对四肢功能、运动及其数百万年进化轨迹更清晰、全面的视角。”
虽然可行力空间的概念（由生物医学工程师发展）在1990年代出现，但本研究标志着这一理论首次应用于化石记录，以理解灭绝物种的运动方式。研究小组从模拟中开发出新的“适合化石”的计算工具，以帮助其他古生物学家解决他们的研究问题。这些工具也可能帮助工程师设计更好的仿生机器人，以便在困难地形中行驶。
研究强调了关于运动的几个关键见解，显示现代物种生成力量的能力在其习惯性姿势附近最高。这个发现增强了对灭绝物种观察到的行为确实反映了其生存条件的信心。
在检查灭绝物种时，研究人员发现，运动能力在数百万年中波动，而不是呈现出从扩展到直立的简单转变。一些古老物种显示出更大的适应能力，能够在扩展和直立姿势之间过渡，类似于当代鳄鱼和其近亲。相比之下，其他物种在哺乳动物出现之前表现出明显向更扩展的姿势回归。这种情况，以及其他发现，表明与现今哺乳动物直立姿势相关的特征进化要比之前假设的晚得多，很可能出现在有胎盘动物的共同祖先时期。
这些发现也有助于解决化石记录中的几个未解之谜。例如，它阐明了为什么许多哺乳动物的祖先保持不对称的四肢和关节，这与现代动物中的扩展姿势典型特征相关。此外，它解释了早期哺乳动物祖先常以开腿姿势躺下的频繁发现——这种姿势更符合扩展四肢，而现代胎生类和有袋类化石则通常侧卧。
毕晓普表示：“作为一名科学家，当一组发现阐明其他观察结果时，感到非常有成就感，这使我们更加接近更完整的理解。”
皮尔斯注意到，她的实验室在研究哺乳动物体型进化近十年，这些结果与合弓类结构的其他领域的可观察模式一致，例如脊柱。“现在越来越清楚，典型于有胎盘动物的完整特征范围是在一个复杂、漫长的时期内发展而成，完整特征组在合弓目进化中相对较晚出现，”她指出。
超越哺乳动物，本研究暗示，诸如直立姿势的重大进化转变往往是复杂的，可能受到随机事件的影响。例如，合弓动物姿势向扩展形式回归的显著减退似乎与二叠纪-三叠纪大灭绝相吻合——一个消灭了90%生命的时期。这场灭绝为如恐龙等群体在陆地生态系统中占据主导地位打开了大门，这使得合弓动物被推入更边缘的生态位置。研究人员建议，由于这种“生态边缘化”，合弓动物的进化路径可能发生了改变，从而影响它们的运动方式。
无论这一假设是否得到支持，对于哺乳动物姿势进化的研究始终展示出一个复杂的难题。皮尔斯强调，计算能力和数字建模的进步为这些古老谜团提供了新的见解。“将这些现代技术与古代化石结合使用，使我们更好地理解这些动物是如何进化的，摒弃我们曾经认为真实的简单、线性叙事，”她表示。“现实是复杂的，这些动物可能以我们尚未充分理解的方式在其环境中互动和移动。故事还有很多，而今天的哺乳动物确实是非凡的。”
