全文約2000字。多圖，請注意流量。

• 引子
• 什么是蛇
• 蛇的祖先大概率是啥樣？
• 基因的力量

蛇是從一個有腿的祖先那兒演化來的。

圖片來源：坎貝爾生物學(xué)

腿演著演著就沒了。其實沒啥稀奇的，這樣的事情還獨立發(fā)生了不止一次（見上圖紫色標記處）。此處隱藏著一個問題，見文末。

這么重要的東西，怎么能說沒就沒呢？其實動物界就是這么隨心所欲。連體腔都能說沒就沒，說有就有。

蛇為什么要把腿演化沒了呢？這是一個對著答案想問題的思路。如果拋開答案，你會發(fā)現(xiàn)這完全是一個開放性的問題，解決方案千千萬。然而歷史是唯一的。我們用形態(tài)、分子、生物學(xué)，各種各樣的手段做系統(tǒng)發(fā)育，就是為了無限逼近這個唯一的歷史。

那么問題來了，既然腿說沒就沒了，說有又可以有。為什么祖先就一定是個有腿的？

要回答這個問題，首先要弄清楚的一點就是，什么是蛇。也就是說，當我們在說祖先時，我們說的是演化樹上的哪一個結(jié)點？這個問題，并沒有想象中那么容易回答。就好像我們都認識鳥，但如果算上恐龍，你真的知道什么是鳥嗎？

讓我們從高級階元的祖先說起。

爬行綱（reptiles）被認為是一個并系群，分為鱷形目、龜鱉目和有鱗目[1]。好在有鱗類（Squamata）是單系的[2]，全球包括一萬多種[3]。中國截至到2015年，統(tǒng)計有23科113屬428種[1]。傳統(tǒng)認為可以分為鬣蜥–硬舌類 (Iguania-Scleroglossa) 、壁虎類 (Gekkota) 、石龍子類 (Scincomorpha) 、蛇蜥類 (Anguimorpha) 、蚓蜥類 (Amphisbaenia) 、蜥蜴類（Lacertoidea) 、蛇類 (Serpentes) 和其他總科 。

來源如圖

有鱗目科級以上分類階元存在爭議，相關(guān)類群的階元會隨研究方法不同在亞目、下目和總科間變動

如圖可見，有鱗目對于腿的態(tài)度，是多么的任性。

接下來，我們就只需要關(guān)心蛇亞目（Serpentes）。畢竟題主問的是蛇。也就是說圖1中那個叫脆蛇的，已經(jīng)不在我們的討論范圍之內(nèi)了。

退場之前的福利：脆蛇蜥屬（Dopasia）屬于有鱗目（Squamata）蜥蜴亞目（Lacertilia）蛇蜥科（Anguidae）。我國分布有3種[1]。

所以蛇到底是什么，需要一個更細節(jié)的演化樹。

圖片來源：The ecological origins of snakes as revealed by skull evolution

上圖中綠色字體和框框內(nèi)的盲蛇（Typhlopidae），實在太像蚯蚓。真的不想把它視為蛇，但它妥妥的屬于蛇亞目盲蛇下目（Scolecophidia），除了它以外的所有現(xiàn)生蛇，被認為是真蛇下目（Alethinophidia）。如果我們就把這兩個現(xiàn)生類群看作蛇的話，那么它們的最近共同祖先（the most recent common ancestor, MRCA）應(yīng)該是圈圈3。我們想知道它到底有沒有腿。

圖片來源：https://www.allhistory.com/

但是，如果加上化石類群的話，其實我們應(yīng)該討論圈圈2，它到底有沒有腿。正如你已經(jīng)看到的那樣，圈圈2的一個分支是滄龍（Mosasauridae），這個海洋中的霸主，是有腿的。就算我們硬是不愿意搭理圈圈2，堅持只關(guān)心圈圈3。我們怎么才能得到一個確切的答案，確認圈圈3有或者沒有腿呢？這需要我們跳出物理學(xué)的簡單歸納思路，直面生物學(xué)的復(fù)雜性。

圖片來源：The ecological origins of snakes as revealed by skull evolution

直面復(fù)雜性。也就是說，我們面對的不是一個祖先，而是一群祖先，以及多種可能的祖先狀態(tài)。正如上圖繪制的連續(xù)譜，展示了祖先圈圈2演化成祖先圈圈3的這一過程。彩色的點代表著不同的生態(tài)位，紅色方形和圓形代表不同的類群。而字母a到f代表著身體的各種形狀：a、一個典型的蜥蜴狀身體；b、前肢減少；C，縮小的前肢和細長的身體；D，沒有前肢，后肢縮小，身體細長；E，沒有四肢，身體細長；F，無腿的蛇形身體[4]。

至少從上圖來看，祖先圈圈3大概率是一個沒有四肢的蛇。

蛇的身體到底是怎么變來變?nèi)サ哪?？Hox基因是如何發(fā)揮作用的呢？不得不說，生活在當下，真的挺幸福。一群又一群科學(xué)家，不僅將熱乎乎的知識奉上，還順便把枯燥艱澀的文字，美化成你我都愿意看到的樣子[5]。圖片來源：Progressive Loss of Function in a Limb Enhancer during Snake Evolution. Kvon et al., 2016. Cell. 633-642.

2016年科學(xué)家們鎖定了一個調(diào)控序列，并對這一段序列進行了分子和功能演化的研究，探討這段序列在肢的丟失過程中可能扮演著怎樣的角色。

這段序列的名字叫做ZRS（Zone of Regulatory Sequence，也叫MFCS1），是一個和肢體相關(guān)的增強子（Limb Enhancer），它能特異性增強Shh基因（Sonic hedgehog）。在肢體發(fā)育過程中，這個增強子在肢芽中表現(xiàn)活躍。如果它出現(xiàn)突變，就可能產(chǎn)生畸性。

可想而知，這段序列得有多么保守。正如下圖灰色的樂高插板（比對序列），在人、牛、海豚等不少動物中，這段序列都一模一樣。而位于下方的蛇（名字被高光加持的6條序列），肉眼可見的出現(xiàn)了白色斑點，也就是堿基變化了。還有條蛇甚至，空了。

圖片來源：如圖

怎么做？

首先看序列變化，并用數(shù)學(xué)的語言來描述這種變化。研究者們對六個蛇的基因組草圖進行了分析。這六種蛇，分別代表了不同的體型，有殘留帶骨的（vestigial pelvic girdle），后肢不完全的（rudimentary hindlimb），如上圖藍色框框內(nèi)。也有四種完全沒有肢骨的蛇。樹圖上展示了演化速度是如何在沒有肢的蛇（紫色加持）中，變成了高速的火紅色。說明，不僅不一樣，而且是非常不一樣。

圖片來源：同上。

接下來要說明這些變化真的會有用。團隊在大自然實驗室中，找了16種動物，鎖定它們的這一段直系同源基因（orthologs）。發(fā)現(xiàn)大多都穩(wěn)定的和肢體表達有聯(lián)系，但在蛇當中（藍色和紫色豎線對應(yīng)的種類），多少都出現(xiàn)了異常，看來真的和功能相關(guān)。圖片來源：同上實驗驗證階段：**敲掉它，再裝上它。**看看是不是真的像我們在大自然實驗室中看到的那樣，序列的變化對應(yīng)功能的改變。結(jié)果是：是。

完美。

那么科學(xué)家是怎么在這么多基因中鎖定ZRS的？感覺像泄題了，有沒有。

因為前人，成功過，失敗過的，那些研究[6][7][8][9][10][11][12]（等等等等，此處省略至少一萬字）。

綜上，科學(xué)家推測，蛇在從有一點殘留的后肢向完全沒有后肢的變化過程中，有一個增強子逐漸失去了其該有的功能。他們確定了導(dǎo)致這一功能性退化的核苷酸變異區(qū)域。接著在小鼠模型上，驗證這一小段變化真的和后肢的有無是相關(guān)的。

至此，人類的知識域，又戳出去一點點。

圖片引用僅用于科普宣傳非商用，圖片如有侵權(quán)請聯(lián)系刪除

參考文獻

1. abc蔡波,王躍招,陳躍英,李家堂.中國爬行綱動物分類厘定[J].生物多樣性,2015,23(03):365-382.

2. Pyron RA, Burbrink FT, Wiens JJ. A phylogeny and revised classification of Squamata, including 4161 species of lizards and snakes. BMC Evol Biol. 2013 Apr 29;13:93. doi: 10.1186/1471-2148-13-93. PMID: 23627680; PMCID: PMC3682911.

3. THE REPTILE DATABASE http://www.reptile-database.org

4. Da Silva, F.O., Fabre, AC., Savriama, Y. et al. The ecological origins of snakes as revealed by skull evolution. Nat Commun 9, 376 (2018). https://doi.org/10.1038/s41467-017-02788-3%5E

5. Kvon et al., 2016. Progressive Loss of Function in a Limb Enhancer during Snake Evolution. Cell. 633-642.

6. Di-Po?, N. et al. Changes in Hox genes’ structure and function during the evolution of the squamate body plan. Nature 464, 9 9–103 (2010).

7. Müller, J. et al. Homeotic effects, somitogenesis and the evolution of vertebral numbers in recent and fossil amniotes. Proc. Natl Acad. Sci. USA 107, 2118–2123 (2010).

8. Head, J. J. & Polly, P. D. Evolution of the snake body form reveals homoplasy in amniote Hox gene function. Nature 520, 8 6–89 (2015).

9. Wilson, J. A., Mohabey, D. M., Peters, S. E. & Head, J. J. Predation upon hatchling dinosaurs by a new snake from the late Cretaceous of India. PLoS Biol. 8, e1000322 (2010).

10. Leal, F. & Cohn, M. J. Loss and re-emergence of legs in snakes by modular evolution of Sonic hedgehog and HOXD enhancers. Curr. Biol. 26, 2966–2973 (2016).

11. Lee, M. S., Bell, G. L. & Caldwell, M. W. The origin of snake feeding. Nature 400, 655–659 (1999).12. Rieppel, O. A review of the origin of snakes. Evol. Biol. 22, 3 7–130 (1988).