人的手指为什么是 5 根，有什么进化学意义吗？

源济

人的手指为什么是 5 根，有什么进化学意义吗？

知乎高赞  2022-02-19 06:00

想象这样一个场景：

某一天你用手掌托了一个杯子，两根手指夹着一只笔，小拇指上挂了个塑料袋，还要努力用大拇指开门。

这个时候你的手指被利用地淋漓尽致，那么你有没有想过，为什么一只手的手指恰好是 5 根呢？

 人的手指为什么是 5 根？ 

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人的手指为什么是 5 根，有什么进化学意义吗？

 

其中有一个关键因素是同源异形基因（ Hox genes ）。

 

此图片来自漫画《人马小姐不迷茫》

 

与植物的形态发育有许多组决定性基因不同，几乎所有动物的形态发育都依赖于 Hox 基因。

 

 

这可能是因为左右对称和体节模式对动物太重要了。

 

棘皮动物虽然也使用 Hox 基因，但由于某些原因导致其 Hox 基因出现高变异，导致在其他动物中内脏不对称分布的 Hox 基因使棘皮动物完全失去左右对称。

 

例如：海扁果类，虽然又变异出五角型轴对称。其代价是，大多数棘皮动物都只能是底栖的过滤食生活或移动缓慢。

 

 

大多数动物中 Hox 基因的变异较少，新的结构总是依赖于旧基因。

 

当新的体节或结构形成时，仅仅是叠加旧的基因以改变体节的数量，然后在此基础上进行修改。

 

例如，苍蝇的触角和腿共享大量相同的编码。当头部的大部分结构已经完全发育，但触角尚未发育时，如果把头部的基因通过表观遗传技术「关闭」，那么苍蝇的头部将长出腿来。

 

 

鳍的对数与之类似。最初只进化出了胸鳍。后来出于身体支撑的需要，骨盆独立发育出来，然后胸鳍的 Hox 基因被平行转移至骨盆，形成了腹鳍。

 

在此基础上，也可以想像与《人马小姐不迷茫》中出现的一样，在肋骨上再通过 Hox 基因平行转移形成一对肢体。

 

此图片来自漫画《人马小姐不迷茫》

 

具体到手指，因为早期四足动物有五个手指，它们的后代，除了少数动物如马在特化后一些指头消失了，大多数四足动物是四指或五指。

 

熊猫和棘螈前肢的更多的也是在五指的基础上改变掌骨表达形成的，并没有突破五指的模式。

 

 

为什么早期四足动物有五个手指。已经在对小鼠和青蛙的实验中通过诱导多指畸形进行研究，单一个手掌上手指数超过 10 个时，老鼠和青蛙都不能保持正常站立。

 

与此同时，在早期的两栖动物中，仍然需要脚蹼承担鳍功能，手指数越多越有利于划水，五，可能是一个最平衡的数字。

 

五个指头除了可以在物理上平衡爬行和划水的效率以外，在遗传水平上也是一个平衡的数值。

 

编码手指的 Hox 基因的表达方式是一个一个叠加起来的，在第一个手指上表达一种 Hox 基因，在第二个手指上表达两种 Hox 基因，依此类推，在第十个手指上需要表达十种 Hox 基因。

 

 

因此，由于多一个手指就需要叠加表达一个基因，手指实际上有保持较小数字的趋势。

 

然而，基于支撑鱼鳍的需要，鱼类又已经进化出来了更多的指骨。因此，手指在四足动物登陆的期间是一种重新减少的过程。

 

 

而在这个加/减两种趋势相互拮抗的过程中，五这个数字似乎在遗传学和力学方面都是最佳选择。

 

以上基本可以解释为什么大多数四足动物一只手掌上的手指个数基本上都是五个。

 

它可以完美地解释为什么不是七个或三个手指，不过还是不能完全排除四个或六个手指。

 

也许在这里，最终是五个手指被选择下来，仍然有一种历史偶然性。

题图： 《功夫》

编辑： 鑫鑫向荣