孩子问「为什么没有三条腿的动物?」,该怎么回答?

苏澄宇,自然科学/分享动物们的小秘密/Animalonearth

有一种鱼叫短头深海狗母鱼Bathypterois grallator[1],它英文名很直接,Tripod fish,直译过来就是三脚鱼

它是是一种深海鱼,生活在世界各大洋的深处,包括大西洋、太平洋和印度洋,通常在大约 880 米到 4700 米深度的海床上活动。

顾名思义,这是一种“三脚站立”的鱼,通过延长的尾鳍和两侧的骨盆鳍“站立”在海底,像三脚架一样支撑自己,形成一个稳定的姿态。

NOAA-OER

这些鳍可以伸展到 1 米长,远远超出其身体长度,使其能够在海床上“高高在上”,捕捉由海流带来的食物。

三脚鱼进化出这种姿态主要是为了觅食。由于生活在极度黑暗的海底,它们几乎失去了视觉,而是依靠触觉和机械感知来捕捉猎物。它们的胸鳍像触须一样伸展,感知到附近的微小生物如虾和小鱼的运动,然后快速用鳍将这些生物推入嘴中。

它们通常站在海流的上游方向,等待食物自动送上门,这种静止不动的策略在深海低能环境中非常有效。

当然,这是鱼鳍,不是腿。地球上并没有也没存在过三足动物。

引用这个例子是为了告诉大家,三脚的作用是为了稳定,而不是为了运动。但脚最大的作用就是运动,三脚的存在违背了这一作用,所以几乎没有存在的理由。

许多动物在休息时都采用 "三脚架姿势",因为这种姿势既稳定又不需要太多能量。

物理学家亚历山大(R.M. Alexander)通过研究动物运动时的稳定性提出了这样一个结论[2]

一个三足动物若要移动,必须将重量平衡在两条腿上,而这会带来极大的稳定性问题​。
一旦任何一条腿抬起,剩下的两条腿必须支撑整个身体的重量,这使得三足动物在行走时的平衡难度比两足或四足更大。

另外,在高速运动时,很多动物依靠的是动态稳定性。例如,很多四足动物在奔跑时有短暂的腾空时间(有例外,这个之后有机会再说),通过惯性和速度来维持平衡,但三足生物在这种情况下可能会更容易失去平衡。

关于跑步腾空,可以看这篇文章:

苏澄宇(科普创作者):河马跑得快不快?科学家研究了河马的步态_作品展示

此外,生物力学研究也指出,较大的动物在高速奔跑时通常需要保持至少三条腿与地面接触,以防止过大的力量集中在单条肢体上,这就是为什么像大象这样的巨型动物很少真正“奔跑”的原因。

从进化的角度来看,双侧对称性(bilateral symmetry)这一进化基础的存在,三足更是不可能出现。

双侧对称意味着动物的左右两边是对称的,像我们人类有两条胳膊和两条腿,昆虫有成对的肢体,甚至有些复杂的无脊椎动物(如软体动物)也是对称的。这种身体结构可以追溯到大约 5.5 亿年前寒武纪(Cambrian),当时早期的双侧对称动物在地球上出现。

在这个时期,进化已经走上了将肢体成对发展、并依照左右对称原理的道路。后来,动物进一步进化出四肢(如脊椎动物),或者多肢(如昆虫和蜘蛛)。

在基因层面上,调控这些身体计划的基因系统已经“写死”了双侧对称的肢体分布模式。即使某些动物(如节肢动物)拥有很多条腿,这些腿依旧是成对分布的,而非奇数。

另外,除了基因层面,系统发育学的研究也表明,三条腿这种奇数肢体形态的进化几率极其低。即便有个别动物出现了身体对称失衡(例如因发育异常而多长了一条腿),这些变异体通常在生存竞争中无法获得优势,甚至可能不具备完整的生理功能,因此它们不会成为稳定的进化趋势[3]