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一只四足机器人揭开了3亿年前的谜题:早期陆生动物是怎么走路的?

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每个肢体由五个驱动关节组成,而脊柱有八个驱动关节,使其可以前后弯曲。来源:NYAKATURA ET AL./NATURE

大约在3亿年前,一种名叫Orobates pabsti的奇怪生物走上了陆地,那时候动物们才刚刚开始从水里爬出来探索这个又大又干燥的陆地世界,这就是以植物为食、用四条腿行走四足兽Orobates。古生物学家之所以知道Orobates以四足行走是因为他们发现了一块保存得非常完好的化石拥有四条腿,而且更幸运的是,科学家们还发现了与之匹配的足迹化石。

有一种假设认为,Orobates——脊椎动物谱系(包括今天的哺乳动物和爬行动物)的近亲——以及其他早期四足动物当时还没有进化出一种&利来国际网站-利来国际网址-利来国际下载ldquo;高级”的步态,而是像蝾螈一样拖着自己的身体前进。但是现在,在《自然》杂志上发表的一篇多学科论文中,研究人员详细描述了他们是如何将古生物学、生物力学、计算机模拟、动物活体演示,甚至是Orobates机器人结合在一起,来确定这种古代生物的行走方式可能比我们此前认为的要先进得多。这对理解陆地上的动物运动是如何进化的有很大的影响,对科学家们如何研究各种灭绝动物的活动方式也有更深远的影响。

单独来看,化石骨骼或化石足迹并不足以预测动物是如何运动的。这篇新论文的合著者、皇家兽医学院的生物力学家约翰·哈钦森说:“这些脚印只告诉了你它们的脚当时在做什么,但是脚的关节有很多自由度,或者说关节可以以不同的方式运动。”毕竟就算是有共同解剖结构的两个人也可以在使用同样设备的前提下通过很多不同的愚蠢方式走路。

如果没有这些脚印,研究人员就无法很有信心地判断化石骨骼是如何移动的,而如果没有骨架,他们就不能完全解析脚印。但有了这两种东西,他们可以计算出Orobates的数百种可能步态,从低级的臭鼬拖腹姿势到高级的鳄鱼在陆地上奔跑的姿势。

然后他们使用计算机模拟来摆弄这些参数,比如动物移动时脊椎前后弯曲的程度。哈钦森说:“这个模拟基本上告诉了我们动物所受到的力,并给了我们一些关于这些动物力学可能是怎样整体工作的估计。”

你可以通过团队这种奇妙的互动来亲自摆弄这些参数。

三维图形中的点是可能的步态。蓝点得分高,红点得分低。双击其中一个,你将在下面看到模拟的特定步态。你会注意到这些红点让步态看起来有点笨拙。然而,深蓝色的圆点看起来更适合四足动物移动。在底部你会看到现存物种的视频,比如鬣蜥和凯门鳄(一种小型鳄鱼)。正是对这些物种的观察帮助研究人员确定了哪些生物力学因素对于行走来说是重要的,比如脊椎弯曲的程度。

其他一些参数:左边的滑块让你可以随意调整出力效率。把它滑到右边,你会发现好的蓝点消失了。

不过,这就是事情变得棘手的地方。当然,出力效率是生存的关键,但它不是生物力学中的唯一限制。柏林洪堡大学的进化生物学家John Nyakatura是这篇论文的第一作者,他说:“并不是所有的动物都会优化能源,尤其是那些只会短暂运动的物种。显然,对于需要长途旅行的物种来说,能源效率是非常重要的。但对其他物种来说,这可能就不那么重要了。”

另一个因素是所谓的骨碰撞,当你把骨骼化石放在一起的时候,你不知道这些关节周围有多少软骨,因为那些东西早已腐烂了。而不同种类的动物会有不同数量的软骨。

对于Orobates来说,这是一个很大的未知数。在模拟互动中,你可以用左边的滑块调节骨碰撞程度。哈钦森说:“你可以让骨头自由地碰撞,也可以只是轻轻地碰触。或者你可以把它调到4级,即不允许骨碰撞,也就是说关节之间必须有足够的空间。”注意这种调整会怎样改变图中的点:你阻止的骨碰撞越多,潜在的步态就越少。“然而,如果你允许很多的碰撞的话,那么肢体移动的可能性也就更多。”

现在再来说说机器人。研究小组设计的OroBOT机器人与Orobates的解剖结构非常匹配。当然,相比于纯粹的生物学来说它是简化的,但就机器人而言,它仍然相当复杂。每个肢体由五个驱动关节组成(“驱动器”是机器学中对马达的一种叫法),而脊柱有八个驱动关节,使其可以前后弯曲。在互动中,你可以用左边的滑块来控制脊柱弯曲的程度,看看这对步态的影响有多大。另外,看看凯门鳄的视频,看看它自己的脊椎在移动时弯曲了多少。

这个模拟的好处在于你可以相对快速地尝试各种不同的步态,但对于机器人却不行。“在一个物理平台上运行太多的实验是非常耗时并且昂贵的,而且你也可能会破坏这个平台,”瑞士洛桑联邦理工学院的机器人专家、合著者卡米洛·梅洛说。运行模拟有助于减少机器人实验的选项。

“最后我们在机器人身上测试了几个我们认为相当好的步态,”梅洛补充说。

他们发现,根据骨骼解剖和匹配轨迹,Orobates很可能是直立行走的,更像凯门鳄而不是蝾螈。Nyakatura说:“以前人们认为只有脊椎动物才进化出这种高级的陆地运动方式。但现在我们认为在Orobates中已经出现了这种现象,这说明我们必须假设运动多样性出现得还要更早一些。”此外,我们从足迹上也得到的一个重要的确认信息:没有与拖行尾巴相对应的痕迹。

因此,多亏了不同学科的这种令人兴奋的融合,研究人员基本上可以复活一个已经死亡很久的物种来确定它可能行走的方式。加州州立大学圣贝纳迪诺分校的古生物学家斯图尔特·苏米达说:“因为他们把数字建模和机器人技术以及所有这些技术结合在一起来研究这只动物,所以我们可以非常自信地说,他们已经为这种动物的移动方式提出了合理的设想。”顺便说一下,苏米达对这件事有独特的见解,在15年前,他从一开始就帮助描述了Orobates。

同时,考虑苏米达和他的同事在德国的什么地方发现这个化石也非常重要。大约3亿年前,这里没有流水,而古生物学家通常依靠的又正正是流水在泥土中保存标本。“这是完全是一个陆地环境,只是偶尔会发生洪水,”苏米达说,“所以你得到的是一个非常不寻常的快照,这个快照可以帮你了解当时在水外的生命是什么样子。”

这样子的话Orobates的直立步态就有意义了。苏米达说:“这是一种在陆地上行走非常方便的动物,这也正是地质学所暗示的。”他补充说,这意味着,Orobates和其他早期陆生物种适应环境的速度比我们预期的要快。

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