你为什么有10根手指？ | 睡前科学故事

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大朋友小朋友们，我们今天要来探讨一下，为什么人的每个手上有5个手指这个问题。在开始前，我们要先看一个小故事。

大家都知道圆周率π（念“派”）对吧。π里包含着神秘信息，你知道吗？

如果人类能把π的小数点后的数字一直写下去，那么到某一个时刻，人类就将看到1000个连续的0，好像一片茫茫的白雾一样。而在这1000个0结束后，将出现柳暗花明的一幕：人类将看到一些并不随机的数，这些数里包含着一个高级智能留下的信息…

这段内容来自于美国著名的天文学家和科普作者卡尔·萨根（Carl Sargan）的著名的小说《接触》（Contact）。后来它被翻拍成了好莱坞电影《超时空接触》。

▲ 电影《超时空接触》片段

遗憾的是，要想看到这条信息，π必须以11进制计数，然后展开。萨根大爷在书中说，人类之所以还没有看到这条信息，因为人类喜欢10进制，本能地想不到还可以用11进制玩~

萨根大爷所说的“神秘信息”究竟存不存在，其实是一个尚未被证明的数学问题（有兴趣的可以搜索“费曼点”）。但是他给我们另一个很好的启发：

为什么人类这么喜欢10呢？

一个方便的答案就在我们的双手上。我们有10个手指，每只手上都有5个。另外，我们还有10个脚趾，也是左右各5个。我们这么喜欢10，和我们的手指数量有很大的关系。

那么在自然界，难道只有我们人类的手指数量这么特别吗？

为什么有些动物，比如马，每条腿上看起来只有1个趾，有些动物，比如熊猫，每个掌上却有6个趾呢？

其实，人类每个手有5个趾并不是偶然。许许多多动物和人类一样，都有5个趾。 

实际上，鸟类、两栖类、爬行类和哺乳类在某个胚胎阶段都曾有5个趾，后来一些动物的一些趾长在了一起，或者没有进一步发育。

不信？一起来看看！

灵长目

灵长目的动物就不多说了，几乎所有灵长目的动物每个掌都是5个趾。有少数灵长目动物，比如蜘蛛猴的拇指长度只有其他4个趾的15%，退居二线，几乎看不出来了。

▲ 22种不同灵长目动物的爪爪，都是5个趾哦

食肉目

阿猫阿狗的每个前爪有5个趾。狗的每个后爪其实也有5个趾，但平时着地的是4个，另外那个退化的叫做“狼趾”。

猫的前爪实际上也有一个很小的“狼趾”，但是阿猫的每个后腿就只有4个趾，另外那个被进化吃掉了。

实际上，食肉目的动物中，许多动物的每个前腿有5个趾，每个后腿为了追求速度退化掉了1个趾，只剩下了4个趾。

▲ 灰毛中粉红色的的那个点就是前爪的第五个趾

考拉"粘"起来的趾

考拉的前脚掌各有5个趾，其中2个和另外3个相对，这可以帮助它们牢牢抓住树枝。而它们后腿也有5个趾，只不过第二个和第三个长在了一起，考拉的这种爪子叫做梳爪（grooming claw），帮自己梳妆扮靓靓用滴。

国宝

熊猫的第6个趾，就是那个长得像拇指的趾是肿么回事捏？

实际上，只有人类和其他灵长目动物才有对生拇指，对生拇指能够让灵长目动物更好地抓握东西。

你看到能够抓着竹子的胖达的“拇指”，其实是假的。大熊猫的"拇指"其实是桡骨末端的籽骨变的，为了它们抓东西吃方便。当然了，别的熊可没有这种变化。

▲ 红色的那个就是籽骨变的熊猫“拇指”

有蹄类

那有人要问了，牛、马、羊这些动物是怎么回事呢？它们不是只有1个或2个趾吗？

其实，牛、马、羊这些有蹄类动物都曾有5个趾，只不过它们现在只用其中的1个或2个趾走路（鹿和牛有2个）。其他的趾被进化吃了大半，退到了不显眼的地方。

▲ 马的趾在5500万年内的变化，现在主要是中间的趾承担了大部分功能，边上的2个趾缩到了上面

鸟类

有人肯定不同意5趾的说法，并且会反驳，为什么鸟只有2条腿，而且脚趾的数量一般只有2到4个，而不是5个呢？

其实鸟类的翅膀也是前腿变的，而且在某个胚胎阶段小鸟们都曾有5个趾。比如在下面这个鸡的胚胎图片中，你可以看到小鸡的第4个和第5个退化的趾，它们变成了矮短的嘟嘟头。

▲ 还没孵出来的小鸡曾经有5个趾，看左右的那两个小肉芽

鲸

▲ 灰鲸的5个趾

鲸和海豚的后腿，连带着后腿上的趾已经基本找不着了，因为它们在大约5千万年前变小退化了。但它们的前腿，也就是它们的前鳍上还可以看见5个趾。

▲ 圈圈里是鲸的后腿和骨盆

蛇类

如果上面的动物没有让你尖叫，那来看看蛇吧。蛇的腿，以及腿上的趾虽然被进化吃了，但是它们身体里还保留着可以长出（小短）腿的基因。比如蟒蛇在胚胎阶段曾经有过一小丢丢的腿。

▲ 早白垩世的有4条腿的蛇的祖先四足蛇 Tetrapodophis

蛇的祖先曾经有4条小短腿。看不太清楚哈，我们放大一点。

四足蛇的小短腿和霸王龙的小短手，都是进化的谜~

如果我们把时间继续往前推，你看生活在大约2.7亿年前的兽孔目动物（therapsid）也有4条腿、每条腿5个趾。

▲ 德国卡尔斯鲁厄自然历史博物馆里的兽孔目动物复原模型

认真脸~

这到底是咋回事哩？神秘的数字5为啥频繁出现？

其实，和神秘数字5搭配在一起的，是另一个神秘数字4。

这些有5个趾的动物，都属于四足动物。四足动物（四足总纲）的意思就是有四条腿的动物。

除了我们常常能见到的地上走的，比如爬行动物（比如蜥蜴、蛇）、哺乳动物（比如人类、牛、阿喵）以外，实际上天生飞的鸟类，还有两栖动物（比如青蛙）也是四足动物哦。

▲ 四足动物们的5个趾。从左到右：人类、家猫前掌、鲸前鳍、蝙蝠

这些动物都有共同的四条腿的祖先。四足动物的祖先一开始生活在水中，后来慢慢地转移到浅水的地方居住，再后来干脆搬上了岸。

那么，是不是一开始上岸的四足动物共同祖先就有5个趾呢？

四足动物的趾都是从类似鱼鳍的骨头演化来的。实际上，第一批上岸的四足动物祖先每个腿上有8个趾。后来，一些趾慢慢消失，出现了7趾的动物，接着出现了6趾，最后出现了5趾动物。

四足动物的祖先都有谁呢？

棘螈（Acanthostega） 8趾

又名棘鱼石螈，是一种已灭绝的四足总纲动物，体长约0.6米，是最早有明显四肢的脊椎动物。它生活在约3.6亿年前的泥盆纪。棘螈的每只脚上有8个趾，而且排列成脚蹼的样子。

鱼石螈（Ichthyostega） 7趾

鱼石螈也是一种早期的四足动物祖先，它们生活在大约3.6亿年前的泥盆纪。它的每条后腿上有7个趾。

图拉螈（Tulerpetom） 6趾

图拉螈生活在大约3.6亿年前的泥盆纪，可以生活在水里和陆地上。它的每个前后腿都有6个趾。

彼得普斯螈（Pederpes） 6趾

彼得普斯螈是石炭纪的四足纲生物，生活在距今大约3.4亿年前。它的每个前足有6个趾。

原水蝎螈（Proterogyrinus） 5趾

原水蝎螈生活在大约3.2亿年前的石炭纪晚期。它体长长约2.5米，每个前后腿都有5个趾。

那么为什么一开始的8个趾变成了现在的5个呢？

关于这点，科学家们有很多假设。虽然大家不能完全确定这种变化的来源，但是一般认为，这和腕以及踝的运动有关：更少的趾可以让这两种关节变得更灵活而且更能承重；多趾的动物的手脚一般比较僵硬，而关节也不太灵活。

照这么说起来，人的指头会不会越变越少？小拇指最小，是不是因为要消失？

有可能。拿连接手指的屈指浅肌（Flexor digitorum supeficialis）来说吧，20%的人的小拇指里已经没有这种肌肉了，或者只有一个手的小拇指里有屈指浅肌，而且这些人的抓握力量并没有因此变弱，这似乎表明小拇指的确是没什么用的。

那么脚趾呢？最小的脚趾会不会也消失呢？

许多人认为这是小脚趾不可避免的结局。

原始的灵长目动物的最重要的脚趾是第三个，也就是中间那个趾。这个脚趾承受了很大的力量。

后来在进化的过程中，大脚趾和第二个脚趾逐渐承担起了更大的作用，而小脚趾逐渐变得越来越小、越来越不重要。最明显的证据就是小脚趾的大小，而且许多人的小脚趾的指甲只有很小一点点，甚至完全没有。

珍惜你的小拇指和小脚趾吧，它们可能正在被进化当手指饼干一点点地吃掉~

↓↓↓ 终极进化形态~二进制手指 ↓↓↓

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参考资料：

Clack, J.A., Gaining Ground: The Origin and Evolution of Tetrapods, Indiana University Press, Bloomington, 2002

Clack JA, Bennet CE, Carpenter DK, Davies SJ, Fraser NC, Kearsey TI, Marshall JEA, Millward D, Otoo BKA, Reeves EJ, Ross AJ, Ruta M, Smithson KZ, Smithson TR, Walsh SA. 2016 Phylogenetic and environmental context of a Tournaisian tetrapod fauna. Nature Ecology & Evolution, 1.

Coats, Michael. "Why do most species have five digits on their hands and feet?" Scientific American. 25 April 2005. Scientific American, Inc. 

Tabin CJ. Why we have (only) five fingers per hand: Hox genes and the evolution of paired limbs. Development. 1992;116:289-296.

evolution.berkeley.edu/evolibrary/article/evograms_04

www.evoanth.net/2014/02/06/our-hand-is-still-evolving/

www.theguardian.com/science/2017/jan/11/palaeontologists-reveal-350m-year-old-tropical-scotland-bursting-with-life

图片来源：ScienceBlogs, popular science monthly, Memorial University of Newfoundland, Dave Martill, Dinopedia, Encyclopedia Britannica, Clack, J.A., Gaining Ground: TheOrigin and Evolution of Tetrapods, Indiana University Press, Bloomington, 2002, Wikipedia, Palaeos, bio.sunyorange.edu, 2007 Thomson Higher Education, 4gif等