阿利斯泰爾?埃文斯

走獸的牙、飛禽的喙、牛羊的犄角、豪豬的棘刺、植物的芒刺......這些結(jié)構(gòu)都有一個(gè)共同點(diǎn)，那便是尖銳。那么，這一共同點(diǎn)有無更深層的進(jìn)化學(xué)邏輯呢？

近期，澳大利亞蒙納士大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了生物共有的尖銳結(jié)構(gòu)的相似之處，并表示此發(fā)現(xiàn)有望幫助我們預(yù)測(cè)包括人類在內(nèi)的動(dòng)物可能如何進(jìn)化。此項(xiàng)新研究的第一作者阿利斯泰爾·埃文斯撰文介紹了自己團(tuán)隊(duì)的工作成果，并發(fā)表了評(píng)論。以下為埃文斯文章的部分編譯內(nèi)容。

爪牙的冪級(jí)聯(lián)

我對(duì)自然界里的生長(zhǎng)規(guī)律著迷。多年來，我一直在嘗試概括出一個(gè)牙齒生長(zhǎng)的模式。在觀察數(shù)百顆牙齒并測(cè)量了它們的長(zhǎng)寬變化規(guī)律后，我們確定了一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式用于描述牙齒形狀。

這個(gè)公式便是冪律——牙齒的長(zhǎng)和寬呈冪律關(guān)系。換句話說，它倆的對(duì)數(shù)是線性關(guān)系。我們?cè)谘芯康卣鸬囊?guī)模、動(dòng)物的滅絕率和股票市場(chǎng)的變化時(shí)，都可以看到冪律。

我們將關(guān)于牙齒的新冪律命名為“冪級(jí)聯(lián)”，它描述了牙齒的表面形態(tài)如何沿著特定模式發(fā)展。我們觀察了巨型鯊魚、霸王龍、猛犸象和人類的牙齒，結(jié)果發(fā)現(xiàn)它們都符合冪級(jí)聯(lián)的模式。

更令人驚訝的是，爪子、蹄子、犄角、蜘蛛的尖牙、蝸牛的殼以及鳥類和恐龍的喙都可用冪級(jí)聯(lián)來描述，甚至連墨爾本博物館里三角龍骨架的3個(gè)角也不例外。

這些結(jié)構(gòu)之所以能被套入相同的形狀模式，或許是因?yàn)樗鼈兇蠖鄨?zhí)行差不多的任務(wù)。例如，鋒利的恐龍牙齒和鋒利的灰熊爪子都可用于刺穿獵物皮肉。

不過，此種歸因仍存缺漏，因?yàn)橄裎伵ぶ惖慕Y(jié)構(gòu)顯然不必負(fù)責(zé)刺穿之類的工作。

冪律真的算自然規(guī)律嗎

大約10年前，我在使用自己開發(fā)的一種測(cè)量三維形狀的技術(shù)時(shí)首次注意到冪級(jí)聯(lián)模式。

此模式建立在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)克里斯托弗·雷恩爵士于1659年首次提出的想法之上。雷恩爵士是一位博學(xué)的解剖學(xué)家、物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家，同時(shí)身兼?zhèn)惗厥ケＡ_大教堂的建筑師。

雷恩認(rèn)為，蝸牛殼可能是一個(gè)圍繞對(duì)數(shù)螺旋而旋轉(zhuǎn)的圓錐?，F(xiàn)在我們知道像貝殼、牙齒和角之類的結(jié)構(gòu)都呈現(xiàn)冪級(jí)聯(lián)的形狀，或者說“冪錐”。

過去幾代生物學(xué)家普遍喜歡用某些強(qiáng)模式來概括生物規(guī)律，上一段提到的對(duì)數(shù)螺旋便是一種通用的強(qiáng)模式——當(dāng)一個(gè)螺旋在某一邊比另一邊增長(zhǎng)得快時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生對(duì)數(shù)螺旋結(jié)構(gòu)。

可如今的生物學(xué)家對(duì)使用這類術(shù)語(yǔ)非常猶豫，因?yàn)樗鼈儽毁x予的通用性就像萬有引力定律般牢不可破，因此得到某個(gè)強(qiáng)模式的過程必須慎之又慎。當(dāng)然，就我們發(fā)現(xiàn)的這個(gè)冪級(jí)聯(lián)模式來說，已有足夠證據(jù)來支持它的通用性。

當(dāng)動(dòng)植物以冪級(jí)聯(lián)模式生長(zhǎng)，它們自然會(huì)不可避免地產(chǎn)生冪級(jí)聯(lián)的形狀，恰如蝸牛殼長(zhǎng)成對(duì)數(shù)螺旋的模樣。

當(dāng)然，此規(guī)則并不絕對(duì)通用，某些蛇牙便是反例。但鑒于它廣泛適用于絕大多數(shù)——無論來自哪些物種的哪處部位，無論呈現(xiàn)何種形狀，只要它是尖銳結(jié)構(gòu)，那么我們大概率就能將其歸于自然冪律。未來的研究將進(jìn)一步證實(shí)此規(guī)律。

稿件來源：“世界科學(xué)”微信公眾號(hào)

（責(zé)任編輯：嵇刊）