為什麼哺乳動物都有七塊頸椎?長頸鹿與霍加狓的同一副脖子

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這隻長得像是斑馬出軌生下來的傢伙,是霍加狓(㺢㹢狓)。

霍加狓其實來自長頸鹿科(Giraffidae),這個科曾經相當繁榮,裡頭有各種脖子長度不同的物種。

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但現在只剩下超長脖子的長頸鹿,和普通脖子的霍加狓。

無論是霍加狓還是長頸鹿,脖子長短都沒有改變這些動物的頸椎數量,牠們的頸部都只有七塊骨頭構成。

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其實早在十八世紀前後,人們就已經知道哺乳動物的頸椎數量高度統一,就是七節,無論這些動物住哪裡、脖子長成什麼樣,頸椎數量都不會變(當然後來發現了一些例外)。

但直到 1999 年,隨著分子發育生物學成熟,研究人員才真正知道哺乳動物為什麼會有這種生理限制。

原因其實也很簡單,決定哺乳動物頸椎模式的基因是 Hox 基因。這些基因不只控制哺乳動物身體軸線骨骼分節的發育,還同時控制多個身體系統,包括神經系統、心血管系統、細胞增殖等等。

換句話說,一旦某些基因突變導致脊椎數量改變,哺乳動物的其他身體系統也會跟著改變,而這通常會引發嚴重的健康問題,很多連胚胎都無法正常發育完成,即便出生了也難以生存。

所以,在殘酷的自然選擇之下,哺乳動物那些試圖改變頸椎數量的基因突變都沒能保留下來。

在人類身上,有些遺傳性疾病會導致脊椎數量改變,比較有名的就是克利佩爾-費爾症候群(Klippel-Feil syndrome,KFS)。

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這種疾病的患者,頸椎沒有正常分割成七塊,而是兩塊或多塊頸椎互相融合在一起,造成脖子縮短。

雖然這類患者很多都有比較正常的壽命,但他們通常終身伴隨不同程度的神經系統疾病、心血管系統疾病(佔 30% 到 40%),以及泌尿系統疾病(佔 50%)。

還有一點值得一提,現在有研究指出,古埃及第十八王朝法老圖坦卡蒙,很可能因為近親通婚也患有克利佩爾-費爾症候群,所以他有嚴重的健康問題。

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包括已滅絕的種類在內,目前已知打破七節頸椎規則的哺乳動物只有三類,分別是海牛、二趾樹懶和三趾樹懶。海牛有六塊頸椎,二趾樹懶有五塊或六塊,三趾樹懶則擁有八塊或九塊。

這三類動物有一個相同的特徵,就是牠們的代謝率都極低,這是牠們能打破脊椎限制的本質原因。

代謝率低意味著細胞更新替換速度慢,心血管系統的壓力小,所以當這些動物身上出現改變頸椎數量的突變時,並沒有對牠們造成太大的生存問題,突變就被保留了下來。

在陸生脊椎動物中,只有哺乳動物受到七節頸椎的限制。鳥類以及其他爬行動物的頸椎都沒有這種限制,牠們可以擁有各種頸椎數量。

所以,牠們長出了各種稀奇古怪、靈活、長短不一的脖子。

黑天鵝的長 S 形脖子,說明鳥類頸椎不受七塊限制

而鳥類和其他爬行動物之所以沒有這種限制,是因為牠們的 Hox 基因高度「模組化」:當牠們的 Hox 基因改變身體軸線骨骼分節的發育時,通常不會引發其他身體系統的變化。

所以牠們可以更好地保留頸椎骨頭相關的突變。

不只如此,由於 Hox 基因高度「模組化」,這些動物類群其實也擁有更高的演化可塑性,可以更快、更好地適應新的生態位。

想親眼看看那根骨頭裡到底裝著什麼嗎?看過它保護的組織,頸椎就很容易想像了:脊髓,中央是蝴蝶形的灰質,外圍包著白質的神經纖維束。

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References

Galis F. Why do almost all mammals have seven cervical vertebrae? Developmental constraints, Hox genes, and cancer. Journal of Experimental Zoology. 1999.

Narita Y, Kuratani S. Evolution of the vertebral formulae in mammals: a perspective on developmental constraints. Journal of Experimental Zoology Part B. 2005.

Varela-Lasheras I, Bakker AJ, van der Mije SD, Metz JAJ, van Wieren SE, Wessels J. Breaking evolutionary and pleiotropic constraints in mammals: on sloths, manatees and homeotic mutations. EvoDevo. 2011.

Tracy MR, Dormans JP, Kusumi K. Klippel-Feil syndrome: clinical features and current understanding of etiology. Clinical Orthopaedics and Related Research. 2004.

Hawass Z, Gad YZ, Ismail S, et al. Ancestry and pathology in King Tutankhamun's family. JAMA. 2010.

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