古代海洋生物开创了奔跑的先河

当马或猎豹需要加速时，它们会进入一种称为“奔跑”的步态。兔子会跳跃。一些水生动物使用依靠鳍的运动形式来拖拽自己，称为“蹬腿”或“踢腿”。所有这些动作都很特别——左右脚步或鳍片的间隔并不均匀。

并非所有动物都依赖此类动作来快速行走。然而，科学家于 3 月 8 日在《实验生物学杂志》上报道，所谓的不对称步态并不是脊椎动物中的新发明。研究人员分析了数百种物种的运动观察结果，得出结论，不规则步态可能早在脊椎动物登陆陆地之前就出现在古代鱼类动物中。研究结果表明，在整个脊椎动物历史中，不同动物群体获得和失去了使用不对称步态的能力。

尽管人们“或多或少”知道陆地动物独立进化出了这些动作，但“认为这种能力对于有颌鱼类来说很古老这一观点还是比较新颖和有趣的”，英国皇家兽医学院霍克斯黑德校区进化生物力学教授约翰·哈钦森 (John Hutchinson) 在一封电子邮件中表示，他没有参与这项研究。

动物行走或小跑时，四肢会以规律、均匀的步态移动，这种步态被称为对称步态。南卡罗来纳州查尔斯顿学院生物学教授、这项研究的合著者埃里克·麦克埃罗伊说，为了更快地行走，许多动物可以切换到不对称的步态。一个典型的例子是马的奔跑。

麦克埃罗伊和他合作者、纽约理工学院的迈克尔·格拉纳托斯基在论文中写道，在奔跑时，四只脚着地的时间不同，间隔也不均匀。哺乳动物并不是唯一会奔跑的动物；一些鳄鱼也被发现使用这种步态。

瞪羚可以实现另一种不对称的步态，称为“叉步”，即跳到空中，同时用四只脚落地。蟾蜍和兔子使用跳跃或半跳跃步态，即两只后脚同时着地。弹涂鱼、海龟和一些海豹会同时移动前鳍，以“叉步”的步态在陆地上行走。一些鳐鱼和其他鱼类会用叉步，同时移动腹鳍，沿着海底快速移动。

一些脊椎动物似乎不采用不对称步态，包括蜥蜴、蝾螈、鸭嘴兽、刺猬、懒猴和大象。

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为了了解这些步态最早出现的时间，麦克埃罗伊和格拉纳托斯基仔细研究了 308 种不同种类的有颌动物（即有颌脊椎动物）的对称和不对称运动报告。除了盲鳗和七鳃鳗外，绝大多数现存脊椎动物都属于这一类。

研究人员利用计算机模型研究了四种不同的进化情景。其中一种情景是，有颌类动物的共同祖先具有不对称移动的能力，其后代可能会失去这种能力，但无法恢复。另一种模型假设这种特征只能获得，这意味着有颌类动物祖先没有不对称的步态。

在第三个模型中，不对称步态在整个家族树中出现和消失的速度大致相同。第四个模型消除了速率限制。这使得生物体“不对称步态的进化速度非常快，不对称步态的消失速度非常慢”，麦克埃罗伊说。“就进化速度而言，它们可能有很大的不同。”

他和格拉纳托斯基发现，根据现代脊椎动物中不对称步态的分布情况，第四种情况最有可能。他们计算出有颌类祖先使用某种不对称步态的可能性约为 75%。

这种类似鱼类的生物可能在 4 亿至 4.5 亿年前生活在浅海沿岸，大约在它的一些后代入侵陆地之前 2500 万至 1 亿年。McElroy 说，有颌类动物的祖先可能用它的鳍支撑或撑着身体在海床上行走，并指出许多早期有颌脊椎动物的化石与现在使用这些动作的鱼类（如鳐鱼和鳐鱼）相似。

研究小组还确定，现代哺乳动物的祖先可能具备不对称移动的能力，而两栖动物和蜥蜴的祖先可能不具备。

目前尚不清楚某些脊椎动物群体为何会失去不对称步态。大象可能体型过大，无法在不给骨骼带来危险压力的情况下奔跑。某些动物，如懒猴和许多海龟，可能永远都无法移动得足够快，以至于不需要不对称步态。

蜥蜴可以快速奔跑，四肢不会不对称地移动。“我从未见过蜥蜴奔跑，它们不奔跑很奇怪，这表明存在某种神经肌肉限制，”麦克埃罗伊说。“我想仔细研究一下，弄清楚蜥蜴是不是没有能力做到这一点，还是它们很少这样做，或者有些蜥蜴群体可以做到这一点，而我们还没有研究过这些群体？”

研究人员研究的 308 种现存动物仅占估计的 69,000 种脊椎动物的一小部分。哈钦森表示，这可能会扭曲分析结果。

麦克埃罗伊承认，对现代鱼类物种的观察相对较少。“鱼类往往会对[进化]重建产生更大的影响，因为它们是最古老的物种，”他说，并且代表着“一个限制和未来探索的领域。”考虑已灭绝脊椎动物的运动也会改善这些估计，但人们对它们如何移动知之甚少。

尽管存在这些局限性，哈钦森表示，“这项研究的价值在于它综合了大量的数据和良好的进化工具，并将引发对其提出的问题的进一步研究。”