科普：人为什么会有5根手指？5很特殊吗？

周伯通

科普：人为什么会有5根手指？5很特殊吗？

细心的朋友可以发现，无论是老鼠、青蛙，还是鸟类、蜥蜴都似乎有着普遍的5根手指。

当然，除了五指结构，也会有很多例外的时候。有的人就天生长着6根手指，当然这是一种叫做多指症的疾病状态，并不是人的常态。

实际上，科学家认为，所有的四足动物理论上都具有5指结构，这包括所有的哺乳类、蜥蜴、两栖类和鸟类。

但是，作为哺乳类的国宝大熊猫，为何却长着6根手指呢？

熊猫的6根手指

为什么要长手指？

我们为什么要长手指？或者说动物为什么要长手指？显然，我们的手指是继承的祖先的。但是，在生命很早很早的时候，其实并没有“手指”这样一种概念。

科学家们在对于这个问题的思考时，从一些海洋的化石中找到了线索。

人们要知道，复杂的事物总是在简单的基础上搭建起来的，生命也一样！在早期海洋的鱼，并没有鱼鳍这样一种结构，它们浑身上下的划动借助于下图中类似的一整条的鳍折。

远古化石中早期鱼类的鳍折

但是，当生命相互间的竞争越演越烈之时，精细化的控制就变得越来越重要，比如支撑、转向、减速等。于是，在身体的前后部，分别长出了这种类似早期鱼

鳍的结构。

早期的鱼鳍结构

这种早期的鱼鳍结构很简单，它们是一种平铺的平行结构。我们可以在下图中，看到鱼鳍里面由一整排整齐的骨头所支撑。而这些骨头，就是以后手指骨的源头。也就是说，你现在看到了几块骨头，其实就是某种意义上的几根手指。

但是，显然平整化、单一结构的鱼鳍骨，显然无法满足更多功能的需求。在激烈的环境强化下，某些特别有用的部分就会被强化，而无用的部分就会被弱化。

于是，我们就渐渐地可以看到，随着时间的推移，功能程度更高级的鱼类身上，这种鱼鳍骨开始变得数量减少，以及长短不一。

但是，最大的挑战应该还是来源于鱼类登陆陆地形成爬行类动物。

大约3.8亿年前，一些鱼类终于长出我们现在意义上的“腿”，开始陆续登陆。其中比较典型的代表是一种叫做真掌鳍鱼（Eusthenopteron）的肉鳍鱼类。

真掌鳍鱼：长着“腿”的鱼

来到陆地的鱼类，少了水的浮力，身体支撑和移动显然离不开这些强有力的鱼鳍。在长时间的压力分布下，骨质周围的坚硬结构，显然能够更加稳固地支撑身体的重量，这一部分也就会被强化。而邻近的软组织等，就开始变得“多余”，开始消失。

在距今大约3.65亿年前，一种叫做棘螈（Acanthostega）的动物出现在地球上。顾名思义这是一种早期的爬行类动物，但实际上是一种介于爬行类和鱼类之间的动物。因为它乍看上去还像一条扁平的鱼。但是，它的鱼鳍已经进化成四肢，且前后肢都有8根手指。

棘螈：早期介于爬行类和鱼类的动物

但是，基本属于同时代的涂氏螈却已经开始有6根指头，而鱼石螈则将6或7根手指合并起来最终形成5根手指。

大约在3.5亿年前，5指成了四足动物的主流趋势，最终造成现在这样的大局面。

为何是五根手指？

科学家曾经拿老鼠做过相关研究，他们通过改变老鼠的相关基因使其长出多余的手指。研究发现，当手指达到10根以上，老鼠就无法正常站立了。这说明，手指的数量显然不是多多益善的。而且过多的手指，显然也违背了“能量效率最大化原则”。

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• 减法原则
  

而且，从上面的鱼类登陆时的演进过程，我们可以发现，手指的数量是根据环境自身的需求来决定的。显然，从鱼类开始，到四足动物，一直在做减法。

每一根手指的减少，是环境对该根手指的舍弃，因为它变得多余。生命显然是倾向于“效率最大化”原则，它从来不养“懒汉”。

可能是因为在历史的特定时期，四足动物在手指减少的道路上，最终来到了5根手指附近。此时手指继续减下去，可能并不会对生存有着根本性的提升。

有部分人认为，如果人们来绘制一个手指数量和综合效能的函数图，将手指的数量作为横轴，将综合能力（生长出该部分肢体需要消耗的能量、抗损失能力、支撑能力、划水能力、进化出高级功能的潜力）作为竖轴。我们应该得到一个两头低中间高的曲线。而5就应该是该曲线的最高点。（起码是在顶点的附近。）经过千万次的自然选择，合适的数字就拥有最大的被选中的概率。

但是，即便如此，5并不是绝对的“金标准”。比如一些有蹄类动物，猪、牛、马等，它们也渐渐由之前的5根手指， 渐渐变成4根，甚至更少。

退化或消失的手指，也是一种环境适应的结果。显然，对于它们而言，5根手指并不是最优解！

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• 熊猫的加法
  

熊猫是一种神奇的动物。它们由一种肉食动物，居然坐上枝头啃起了竹子，俨然成了一位素食动物。在其它动物都在做减法之时，它却在做加法。它的第六根手指，可能是因为它们食性的改变引起的。这种原本肉食的动物，居然坐上枝头啃起了竹子，俨然成了一位素食动物。而且，竹子根本就没什么营养，所以，熊猫需要不停的吃。因为熊猫需要长时间的用手握住竹子，这迫使其手掌边沿部位的肌肉得到了强化。

最左边为熊猫的第六根手指

而该肌肉长时间附着牵拉，最终导致该部分骨质进行分化，最终形成了额外的手指。但是，即便如此，熊猫也算是5指动物，它并不是一种全新的6指动物机制，而是一脉相承的结果。

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• 小结
  

总的来讲，手指的数量肯定是环境适应的结果。但是，在功能学上，并没有证据表明，5根手指一定要比4根或6根手指会呈现出更加优越的特性。

然而，为何大多数动物依然选择5根手指，而不是4根或6根。有学者认为，5并不特殊，人的5根手指，可能仅仅是一种偶然的结果。可能是因为在历史的某个阶段里，一种拥有5指的四足动物占了优势，之后所有的后代都继承了它的这一特性。

总的来讲，对于为什么是5根手指，还有待更深入的研究结果！

手指是怎样长出来的？

机体的每个细胞都带有生命的全套遗传密码。但是，每个细胞却只表达其中的一部分。也就是说，基因会选择性去表达。

那么手指是在怎样一种情景下，由基因调控表达出来的呢？

对此，科学家发现，手指数量的决定机制由一种叫做Hox的基因所承担。

决定手指数量的Hox基因

在胚胎进行分化发育时，也就是在开始长出手指的肢端部分，Hox基因会呈现不同的分布态势。它们会呈现铰链式的依次分布在肢端。然后按照叠加原则表达出不同的手指：

Hox(4.8)基因表达时，第5手指开始形成；

Hox(4.8+4.7)基因表达时，第4手指开始形成；

Hox(4.8+4.7+4.6)基因表达时，第3手指开始形成；

Hox(4.8+4.7+4.6+4.5)基因表达时，第2手指开始形成；

Hox(4.8+4.7+4.6+4.5+4.4)基因表达时，第1手指开始形成。

该过程，如果有一个联合基因没有表达就会出现手指分化异常。

除此之外，科学家们还在鸡胚胎做了相关的研究实验。正常的鸡的胚层脚趾的表达，可见于下图左边的这种对应关系。边线所划出的区域，所对应的数字1-4区域对应着孵化鸡的第几脚趾。而那些黑点区域，是Hox4.6基因的表达区。

科学家，通过一种病毒特异性作用在第1脚趾的Hox4.6的基因表达区，而第2-4脚趾保持正常。结果，新孵化的鸡崽在原来应该长出第1脚趾的部位长出了第2脚趾。

这个实验，充分验证了Hox的加法累积表达原则。在第一脚趾的表达，原本需要多个基因联合表达， 但是到了该处时，因为特异性失活，导致它保持着第2脚趾的相同基因特性，所以自然就长出了第2脚趾，而不是第1脚趾。

总结

总的来讲，人拥有5根手指，可不是件随随便便的事情。为什么会拥有5根手指，也不是一个无聊的问题。这背后蕴含着长达几亿年的生命发展的故事！

但是，最神奇的部分是，如果看似“简单”“简洁”的事实背后，却蕴含着太多太多的自然规律。而我们人类正在一点点地揭开这层无法察觉的薄纱，就像当年我们认为空气是空无一物，最后通过科学严谨地探索才发现空气的本质。

有时候，张开自己的双手，简单地握紧又松开，不禁间无限感叹，到底经历了多少，才有资格完成这样一个简单的动作啊！