持續300多年的謎題 牙齒、爪子、犄角、鳥嘴為何都長成尖銳模樣

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......這些結構都有一個共同點，那便是尖銳。那么，這一共同點有無更深層的進化學邏輯呢？

近期，澳大利亞蒙納士大學的研究團隊發現了生物共有的尖銳結構的相似之處，并表示此發現有望幫助我們預測包括人類在內的動物可能如何進化。此項新研究的第一作者阿利斯泰爾·埃文斯撰文介紹了自己團隊的工作成果，并發表了評論。以下為埃文斯文章的部分編譯內容。

爪牙的冪級聯

我對自然界里的生長規律著迷。多年來，我一直在嘗試概括出一個牙齒生長的模式。在觀察數百顆牙齒并測量了它們的長寬變化規律后，我們確定了一個簡單的數學公式用于描述牙齒形狀。

這個公式便是冪律——牙齒的長和寬呈冪律關系。換句話說，它倆的對數是線性關系。我們在研究地震的規模、動物的滅絕率和股票市場的變化時，都可以看到冪律。

我們將關于牙齒的新冪律命名為“冪級聯”，它描述了牙齒的表面形態如何沿著特定模式發展。我們觀察了巨型鯊魚、霸王龍、猛犸象和人類的牙齒，結果發現它們都符合冪級聯的模式。

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聯來描述，甚至連墨爾本博物館里三角龍骨架的3個角也不例外。

這些結構之所以能被套入相同的形狀模式，或許是因為它們大多執行差不多的任務。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，因為像蝸牛殼之類的結構顯然不必負責刺穿之類的工作。

冪律真的算自然規律嗎

大約10年前，我在使用自己開發的一種測量三維形狀的技術時首次注意到冪級聯模式。

此模式建立在英國皇家學會會長克里斯托弗·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的解剖學家、物理學家和數學家，同時身兼倫敦圣保羅大教堂的建筑師。

雷恩認為，蝸牛殼可能是一個圍繞對數螺旋而旋轉的圓錐。現在我們知道像貝殼、牙齒和角之類的結構都呈現冪級聯的形狀，或者說“冪錐”。

過去幾代生物學家普遍喜歡用某些強模式來概括生物規律，上一段提到的對數螺旋便是一種通用的強模式——當一個螺旋在某一邊比另一邊增長得快時，就會產生對數螺旋結構。

可如今的生物學家對使用這類術語非常猶豫，因為它們被賦予的通用性就像萬有引力定律般牢不可破，因此得到某個強模式的過程必須慎之又慎。當然，就我們發現的這個冪級聯模式來說，已有足夠證據來支持它的通用性。

當動植物以冪級聯模式生長，它們自然會不可避免地產生冪級聯的形狀，恰如蝸牛殼長成對數螺旋的模樣。

當然，此規則并不絕對通用，某些蛇牙便是反例。但鑒于它廣泛適用于絕大多數——無論來自哪些物種的哪處部位，無論呈現何種形狀，只要它是尖銳結構，那么我們大概率就能將其歸于自然冪律。未來的研究將進一步證實此規律。

稿件來源：“世界科學”微信公眾號

（責任編輯：嵇刊）