为什么人类的手指会很短（人类的手指为什么恰好是五根）

我们中国人对五根手指早已司空见惯，甚至因此形成了偏爱“五”的文化传统，比如阴阳五行、春秋五霸，事实上春秋并不只有五霸，但选出五个似乎更好听些。此外，我们还有五岳、五经、五脏、五谷杂粮、五音不全、五湖四海、五体投地等词语，随处可见“五”的影响。

可是为什么人类恰巧是五根手指，而不是四根或者六根，或者更多呢？这个简单的数字背后，难道隐藏着什么神秘的进化逻辑吗？

人类只是灵长类动物的一个代表。与人类相同，其他灵长类动物同样也都是五根手指。事实上灵长类动物的五根手指也并非特例。其他哺乳动物虽然没有分出手脚，但四肢末端大多同样是五个分支，统称为五趾型附肢，只有部分动物例外。为了简洁起见，我们在讨论时不分手指和脚趾，统统称为五趾结构。大量脊椎动物都保持着五趾结构，灵长类的五根手指，只是五趾结构的延续。所以，与其问人类为什么会有五根手指，不如问脊椎动物为什么会保持五趾结构。

这看似是一个简单的问题，却是一个重大谜团。自然界可供选择的数字很多，没有任何法律规定长了四个脚趾将会被杀掉，那么为什么许多动物都会保持五趾结构？

从化石证据来看，三亿多年前的两栖动物就已经出现了五趾结构。同时存在的原始动物，比如棘龙有八根趾骨，鱼龙有七根趾骨，它们主要在水中生活。这说明五趾是脊椎动物从水生向陆生进化的重要节点。从那以后，这个世界就出现了大量长着五根脚趾的动物，它们可能是两栖动物，也可能是爬行动物，或者是鸟类和哺乳动物。

（棘龙）

毫无疑问，要想在陆地上方便地活动，就需要用四肢支撑起身体，四肢不能太粗，也不能太细。太粗超出实际需要，就是浪费；太细不足以支撑身体，就是废物。合适的四肢应该在粗细之间寻找平衡。

有了合适的四肢，还需要合适的趾骨，而趾骨必然受到四肢的约束。简单的逻辑是，所有趾骨都必须长在四肢末端，就像一根粗壮的树枝分出细小的树杈一样，细小的枝杈只能在大树枝的基础上发育，它们不能比主干还粗。趾骨也一样，它们的总体数量与粗细程度，必须符合实际需要，并受到四肢粗细的制约，问题是几个趾骨才是合适的数字呢。自然选择给出的答案是：五个。几乎所有脊椎动物都遵循这一原则，灵长类亦然。

任何事情都有例外，趾骨的数量也一样。比如鸟类的趾骨出现了合并现象，一般是三趾向前，一趾向后，只剩下了四趾；鸵鸟的合并更进一步，只剩下了三根脚趾；有的种类甚至只保留了两根脚趾，比如猪属于偶蹄类动物，顾名思义，就是只有一对脚趾。也有的动物在增加趾骨，比如熊猫就有六个手指，可以更好地握住竹子以方便咀嚼。

现在科学家认为，五趾动物的祖先之所以登陆成功，是因为五趾在支撑身体与灵活程度之间达到了平衡。

直白地说，既然来到地面生活，趾骨就应该有能力支撑起身体，这是最基本的要求，而支撑能力与趾骨数量密切相关。四肢分化的趾骨越少，趾骨也就越粗；趾骨数量越多，趾骨就越细。进一步的，趾骨越粗，支撑能力就越强；而趾骨越细，灵活性也就越高。

所以，我们可以在陆生哺乳动物中发现这样一种趋势——体型越大，趾骨数量就越少，因为它们需要强大的支撑能力。虽然马的体型不如水牛与河马的，但马的奔跑速度更快，对趾骨的冲击力更强，所以马只保留了一根粗壮的趾骨，其余的趾骨全部退化。

水牛与河马虽然体型巨大，但是行动缓慢，河马甚至有很长时间都待在水里，大大减轻了对趾骨的压力，所以两根趾骨也足以支撑，这是它们成为偶蹄动物的主要原因。

人的体重当然不如大象的，但人类采用了一种奇特的行走方式——直立行走，体重全部由双腿承担，压力比四足动物增加一倍。按照这个逻辑，以成年男性平均体重七十公斤为例，应该采用与体重一百四十公斤的动物相同的趾骨结构才对，那大致相当于野猪的体重，而野猪是偶蹄动物。也就是说，正常情况下，人类本来应该只有两个脚趾。

但是且慢，人类面临的麻烦并不只有体重，还有长途奔跑的挑战。在所有哺乳动物中，人类的长跑能力可谓出类拔萃，甚至可以与马一较高下，英国每年都要举办一场人与马的长跑比赛。体重是制约长跑的重要因素，我们从来不会看到飞奔的大象，它们多数情况下都在慢慢行走，因为体重太重，四肢很难承受奔跑的冲击。人类体型适中，可以长途奔跑，但对脚的要求同样很高，脚趾应该更加粗壮才行，甚至比偶蹄动物还要粗壮。比偶蹄动物脚趾粗壮的只有奇蹄动物，难道人类应该和马一样采用相同的趾骨结构吗？

你没有看错，事实正是这样。从本质上来看，人类其实是奇蹄动物。我们的双腿并不依靠脚趾支撑，那五个笨拙的脚趾已经处于退化的边缘，小脚趾甚至都快要消失了。很少有人用脚趾弹钢琴，因为脚趾的灵活性已经大幅降低，只剩下维持平衡的功能。支撑体重与承受奔跑冲击力的重任，其实落在了脚后跟和脚掌上。只要看看脚后跟的粗细，你就会立刻明白，那简直就相当于马的蹄子。

科学家发现，有一种重要的基因控制着身体的发育进程，那就是Hox基因，它决定了各种器官的定位和排序，其中有一部分基因掌管着五趾发育，姑且称之为五趾基因。共有五个五趾基因分别控制五个手指和脚趾，这五个基因之间存在微小的差别，导致了五趾大小不同。因为只有五个明确的基因编码区域，所以只能产生五个趾骨，而不是更多。如果不小心多了一份基因拷贝，只是简单复制了附近的趾骨基因，外在的表现就是多趾症，就会多一个趾骨。万一五趾基因发生突变，当然可以产生新的趾骨结构，但是同时也将对胚胎发育造成致命的影响，因为五趾基因还控制着其他发育环节。就像外卖小哥的车篓里已经整齐摆放了好几份外卖，如果非要再放一盒进去，就可能导致所有饭盒全部变形。这种同一个基因控制不同效果的现象，就叫作基因多重效应。

在胚胎发育过程中，从神经胚形成直到完成体节发育这一阶段至关重要，因为在这一阶段将要决定个体长成什么样子，科学家称之为系统发育阶段。研究发现，制约趾骨数量的五趾基因在这一时期相对活跃。在系统发育阶段，身体各部分之间存在强烈的互相诱导信号，即各组织与器官通过互相发送激素信号表明自己的状态。某一器官的发育状态将会影响其他器官的发育状态，这就是互相诱导。这种连锁诱导机制将胚胎连成了一个动态的整体，任何一个部分都不能出现错误，否则就会引发连锁错误，最后形成畸胎。就像在黑夜里行军的部队，彼此没有手机，也不能说话，只能靠拍巴掌保持整体队形，一旦某个人的位置错了，就会影响其他人的位置发生错误。错误不断放大，最终会导致整个队伍崩溃。

为了保证发育过程不出问题，最优秀的策略就是按照此前正确的发育步骤来。五个趾骨就属于被反复探索过的正确的发育进程，是一个相对成功的安全策略。一旦这个发育策略被改变，系统发育就会出现连锁反应。所以，趾骨数量的多少不仅仅是数字的增减问题，而是一个涉及身体发育的系统性的问题。有一种疾病叫作手足生殖器综合征，即手足发育与生殖器发育连锁。一旦手足出现畸形，生殖器也同样出现畸形。既然手足发育与生殖器发育有关，当然不能轻易突变，否则将造成比阳痿还要严重的后果。这只是我们知道的连锁关系，未知的连锁关系可能更加复杂，一旦被破坏，后果也更加可怕。所以，五趾基因不能随意突变。

我们可以看出，基因多重效应是保护复杂机体正确发育的重要机制，一旦发育错误，就会导致死亡，这是一种自我约束系统，除了推广正确的发育机制，还能确保这个世界不会出现我们无法理解的奇异动物，这就是五趾结构可以一直保持到现在的根本原因。

东南亚有一种六趾蛙，它的六趾是真正的六趾，并非用骨质增生冒充。六趾蛙不像普通的青蛙那样以捕捉昆虫为生，而主要以植物的花朵与果实为食。这种趾骨结构在某种程度上削弱了跳跃能力，不过并不影响觅食效率，多一根趾骨反倒更方便游泳。但问题是，它们为什么不担心基因多重效应的影响呢？

根本原因是，青蛙是从水生动物向陆生动物转变的先行者，这种转变进程至今没有彻底完成，它们仍然是两栖动物。两栖动物的意思是，它们既需要游泳，又需要在陆地上行走，所以多一根趾骨或者少一根趾骨，似乎都有一定的好处。青蛙正是采取了某种折中策略，有四根趾骨，也有五根趾骨，还有六根趾骨，关键是它们该如何回避基因多重效应的制约。

这与两栖动物独特的发育机制有关，它们在肢体发育阶段具有很强的自我组织能力，四肢发育相对独立，不与其他器官产生明显的互动，肢体发育的波动不会影响系统发育，基因的多重效应因此大为减弱。正因为这一特征，青蛙是移植器官的良好实验对象，科学家甚至可以让青蛙的头部长出腿来，但用哺乳动物来做这一实验就很难成功。也就是说，两栖动物的肢体发育比哺乳动物的具有更大的弹性，所以我们才有机会见到六趾的青蛙。

对人类来说，与六趾相比，四趾更为少见。医学调查发现，趾骨减少症的发生率只有万分之六，远远低于多趾症的发生率。这是一个奇怪的现象，按照一般逻辑，丢失某种东西要比得到某种东西容易得多，就像丢失钱包容易，但找回钱包很难一样。趾骨基因却很难丢失，这从另一个侧面证明了控制趾骨发育的基因异常重要，丢失造成的损害要大于增加造成的损害，那其实是基因多重效应的另一种表现形式。

对于穿行在树冠中的灵长类动物来说，五趾结构更是有着不可替代的优势。一方面，五趾结构可以牢牢地抓住树枝，特别是大拇指与其他手指对握，这种抓握能力是其他哺乳动物都没有的。你不可能指望一匹马爬上树去，然后在树冠之间来回游荡，它们的五趾已经退化到只剩一趾，无论如何也没法完成如此高难度的抓握动作。所以，五趾结构是保证灵长类树居生活的前提。另一方面，五根手指还可以灵活地摘取树梢上的果实。

如果只有两根或者三根手指，摘取果实的能力就要大打折扣，可见五根手指是在力量与灵活性之间取得平衡的结果。如果是六指，则力量太弱；如果是四指，则灵活性不足。只有五根手指，才是最完美的设计。试图违背这一原则的灵长类动物，要么容易跌下树摔死，要么因为摘取果实时灵活性不足而饿死，它们用自己的死亡淘汰了所有非五趾的结构，人类只不过是顺应了自然的潮流而已。

由此可见，人类的五指并非偶然的发明，而是自然选择的必然结果。

以上内容选自《生命的色彩：我们为什么没有绿色的头发》

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《生命的色彩：我们为什么没有绿色的头发》

作者：史钧

出版社：重庆出版社

这个世界的魅力无处不在，我们需要对这个世界保留较多的探索之心。每一次的探索都是对人类乃至动物界的一种探索过程。

作者在书中呈现逻辑清晰的科学知识不仅仅让我们拓宽了科学视野，更让我们意识到了科学背后的各方不易。从发现光波开始一步步走进这个五彩斑斓世界的进化历程与选择机制，是无数科学家努力的结果。

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