我們中國人對五根手指早已司空見慣，甚至因此形成了偏愛“五”的文化傳統，比如陰陽五行、春秋五霸，事實上春秋并不隻有五霸，但選出五個似乎更好聽些。此外，我們還有五嶽、五經、五髒、五谷雜糧、五音不全、五湖四海、五體投地等詞語，随處可見“五”的影響。

可是為什麼人類恰巧是五根手指，而不是四根或者六根，或者更多呢？這個簡單的數字背後，難道隐藏着什麼神秘的進化邏輯嗎？

人類隻是靈長類動物的一個代表。與人類相同，其他靈長類動物同樣也都是五根手指。事實上靈長類動物的五根手指也并非特例。其他哺乳動物雖然沒有分出手腳，但四肢末端大多同樣是五個分支，統稱為五趾型附肢，隻有部分動物例外。為了簡潔起見，我們在讨論時不分手指和腳趾，統統稱為五趾結構。大量脊椎動物都保持着五趾結構，靈長類的五根手指，隻是五趾結構的延續。所以，與其問人類為什麼會有五根手指，不如問脊椎動物為什麼會保持五趾結構。

這看似是一個簡單的問題，卻是一個重大謎團。自然界可供選擇的數字很多，沒有任何法律規定長了四個腳趾将會被殺掉，那麼為什麼許多動物都會保持五趾結構？

從化石證據來看，三億多年前的兩栖動物就已經出現了五趾結構。同時存在的原始動物，比如棘龍有八根趾骨，魚龍有七根趾骨，它們主要在水中生活。這說明五趾是脊椎動物從水生向陸生進化的重要節點。從那以後，這個世界就出現了大量長着五根腳趾的動物，它們可能是兩栖動物，也可能是爬行動物，或者是鳥類和哺乳動物。

（棘龍）

毫無疑問，要想在陸地上方便地活動，就需要用四肢支撐起身體，四肢不能太粗，也不能太細。太粗超出實際需要，就是浪費；太細不足以支撐身體，就是廢物。合适的四肢應該在粗細之間尋找平衡。

有了合适的四肢，還需要合适的趾骨，而趾骨必然受到四肢的約束。簡單的邏輯是，所有趾骨都必須長在四肢末端，就像一根粗壯的樹枝分出細小的樹杈一樣，細小的枝杈隻能在大樹枝的基礎上發育，它們不能比主幹還粗。趾骨也一樣，它們的總體數量與粗細程度，必須符合實際需要，并受到四肢粗細的制約，問題是幾個趾骨才是合适的數字呢。自然選擇給出的答案是：五個。幾乎所有脊椎動物都遵循這一原則，靈長類亦然。

任何事情都有例外，趾骨的數量也一樣。比如鳥類的趾骨出現了合并現象，一般是三趾向前，一趾向後，隻剩下了四趾；鴕鳥的合并更進一步，隻剩下了三根腳趾；有的種類甚至隻保留了兩根腳趾，比如豬屬于偶蹄類動物，顧名思義，就是隻有一對腳趾。也有的動物在增加趾骨，比如熊貓就有六個手指，可以更好地握住竹子以方便咀嚼。

現在科學家認為，五趾動物的祖先之所以登陸成功，是因為五趾在支撐身體與靈活程度之間達到了平衡。

直白地說，既然來到地面生活，趾骨就應該有能力支撐起身體，這是最基本的要求，而支撐能力與趾骨數量密切相關。四肢分化的趾骨越少，趾骨也就越粗；趾骨數量越多，趾骨就越細。進一步的，趾骨越粗，支撐能力就越強；而趾骨越細，靈活性也就越高。

所以，我們可以在陸生哺乳動物中發現這樣一種趨勢——體型越大，趾骨數量就越少，因為它們需要強大的支撐能力。雖然馬的體型不如水牛與河馬的，但馬的奔跑速度更快，對趾骨的沖擊力更強，所以馬隻保留了一根粗壯的趾骨，其餘的趾骨全部退化。

水牛與河馬雖然體型巨大，但是行動緩慢，河馬甚至有很長時間都待在水裡，大大減輕了對趾骨的壓力，所以兩根趾骨也足以支撐，這是它們成為偶蹄動物的主要原因。

人的體重當然不如大象的，但人類采用了一種奇特的行走方式——直立行走，體重全部由雙腿承擔，壓力比四足動物增加一倍。按照這個邏輯，以成年男性平均體重七十公斤為例，應該采用與體重一百四十公斤的動物相同的趾骨結構才對，那大緻相當于野豬的體重，而野豬是偶蹄動物。也就是說，正常情況下，人類本來應該隻有兩個腳趾。

但是且慢，人類面臨的麻煩并不隻有體重，還有長途奔跑的挑戰。在所有哺乳動物中，人類的長跑能力可謂出類拔萃，甚至可以與馬一較高下，英國每年都要舉辦一場人與馬的長跑比賽。體重是制約長跑的重要因素，我們從來不會看到飛奔的大象，它們多數情況下都在慢慢行走，因為體重太重，四肢很難承受奔跑的沖擊。人類體型适中，可以長途奔跑，但對腳的要求同樣很高，腳趾應該更加粗壯才行，甚至比偶蹄動物還要粗壯。比偶蹄動物腳趾粗壯的隻有奇蹄動物，難道人類應該和馬一樣采用相同的趾骨結構嗎？

你沒有看錯，事實正是這樣。從本質上來看，人類其實是奇蹄動物。我們的雙腿并不依靠腳趾支撐，那五個笨拙的腳趾已經處于退化的邊緣，小腳趾甚至都快要消失了。很少有人用腳趾彈鋼琴，因為腳趾的靈活性已經大幅降低，隻剩下維持平衡的功能。支撐體重與承受奔跑沖擊力的重任，其實落在了腳後跟和腳掌上。隻要看看腳後跟的粗細，你就會立刻明白，那簡直就相當于馬的蹄子。

科學家發現，有一種重要的基因控制着身體的發育進程，那就是Hox基因，它決定了各種器官的定位和排序，其中有一部分基因掌管着五趾發育，姑且稱之為五趾基因。共有五個五趾基因分别控制五個手指和腳趾，這五個基因之間存在微小的差别，導緻了五趾大小不同。因為隻有五個明确的基因編碼區域，所以隻能産生五個趾骨，而不是更多。如果不小心多了一份基因拷貝，隻是簡單複制了附近的趾骨基因，外在的表現就是多趾症，就會多一個趾骨。萬一五趾基因發生突變，當然可以産生新的趾骨結構，但是同時也将對胚胎發育造成緻命的影響，因為五趾基因還控制着其他發育環節。就像外賣小哥的車簍裡已經整齊擺放了好幾份外賣，如果非要再放一盒進去，就可能導緻所有飯盒全部變形。這種同一個基因控制不同效果的現象，就叫作基因多重效應。

在胚胎發育過程中，從神經胚形成直到完成體節發育這一階段至關重要，因為在這一階段将要決定個體長成什麼樣子，科學家稱之為系統發育階段。研究發現，制約趾骨數量的五趾基因在這一時期相對活躍。在系統發育階段，身體各部分之間存在強烈的互相誘導信号，即各組織與器官通過互相發送激素信号表明自己的狀态。某一器官的發育狀态将會影響其他器官的發育狀态，這就是互相誘導。這種連鎖誘導機制将胚胎連成了一個動态的整體，任何一個部分都不能出現錯誤，否則就會引發連鎖錯誤，最後形成畸胎。就像在黑夜裡行軍的部隊，彼此沒有手機，也不能說話，隻能靠拍巴掌保持整體隊形，一旦某個人的位置錯了，就會影響其他人的位置發生錯誤。錯誤不斷放大，最終會導緻整個隊伍崩潰。

為了保證發育過程不出問題，最優秀的策略就是按照此前正确的發育步驟來。五個趾骨就屬于被反複探索過的正确的發育進程，是一個相對成功的安全策略。一旦這個發育策略被改變，系統發育就會出現連鎖反應。所以，趾骨數量的多少不僅僅是數字的增減問題，而是一個涉及身體發育的系統性的問題。有一種疾病叫作手足生殖器綜合征，即手足發育與生殖器發育連鎖。一旦手足出現畸形，生殖器也同樣出現畸形。既然手足發育與生殖器發育有關，當然不能輕易突變，否則将造成比陽痿還要嚴重的後果。這隻是我們知道的連鎖關系，未知的連鎖關系可能更加複雜，一旦被破壞，後果也更加可怕。所以，五趾基因不能随意突變。

我們可以看出，基因多重效應是保護複雜機體正确發育的重要機制，一旦發育錯誤，就會導緻死亡，這是一種自我約束系統，除了推廣正确的發育機制，還能确保這個世界不會出現我們無法理解的奇異動物，這就是五趾結構可以一直保持到現在的根本原因。

東南亞有一種六趾蛙，它的六趾是真正的六趾，并非用骨質增生冒充。六趾蛙不像普通的青蛙那樣以捕捉昆蟲為生，而主要以植物的花朵與果實為食。這種趾骨結構在某種程度上削弱了跳躍能力，不過并不影響覓食效率，多一根趾骨反倒更方便遊泳。但問題是，它們為什麼不擔心基因多重效應的影響呢？

根本原因是，青蛙是從水生動物向陸生動物轉變的先行者，這種轉變進程至今沒有徹底完成，它們仍然是兩栖動物。兩栖動物的意思是，它們既需要遊泳，又需要在陸地上行走，所以多一根趾骨或者少一根趾骨，似乎都有一定的好處。青蛙正是采取了某種折中策略，有四根趾骨，也有五根趾骨，還有六根趾骨，關鍵是它們該如何回避基因多重效應的制約。

這與兩栖動物獨特的發育機制有關，它們在肢體發育階段具有很強的自我組織能力，四肢發育相對獨立，不與其他器官産生明顯的互動，肢體發育的波動不會影響系統發育，基因的多重效應因此大為減弱。正因為這一特征，青蛙是移植器官的良好實驗對象，科學家甚至可以讓青蛙的頭部長出腿來，但用哺乳動物來做這一實驗就很難成功。也就是說，兩栖動物的肢體發育比哺乳動物的具有更大的彈性，所以我們才有機會見到六趾的青蛙。

對人類來說，與六趾相比，四趾更為少見。醫學調查發現，趾骨減少症的發生率隻有萬分之六，遠遠低于多趾症的發生率。這是一個奇怪的現象，按照一般邏輯，丢失某種東西要比得到某種東西容易得多，就像丢失錢包容易，但找回錢包很難一樣。趾骨基因卻很難丢失，這從另一個側面證明了控制趾骨發育的基因異常重要，丢失造成的損害要大于增加造成的損害，那其實是基因多重效應的另一種表現形式。

對于穿行在樹冠中的靈長類動物來說，五趾結構更是有着不可替代的優勢。一方面，五趾結構可以牢牢地抓住樹枝，特别是大拇指與其他手指對握，這種抓握能力是其他哺乳動物都沒有的。你不可能指望一匹馬爬上樹去，然後在樹冠之間來回遊蕩，它們的五趾已經退化到隻剩一趾，無論如何也沒法完成如此高難度的抓握動作。所以，五趾結構是保證靈長類樹居生活的前提。另一方面，五根手指還可以靈活地摘取樹梢上的果實。

如果隻有兩根或者三根手指，摘取果實的能力就要大打折扣，可見五根手指是在力量與靈活性之間取得平衡的結果。如果是六指，則力量太弱；如果是四指，則靈活性不足。隻有五根手指，才是最完美的設計。試圖違背這一原則的靈長類動物，要麼容易跌下樹摔死，要麼因為摘取果實時靈活性不足而餓死，它們用自己的死亡淘汰了所有非五趾的結構，人類隻不過是順應了自然的潮流而已。

由此可見，人類的五指并非偶然的發明，而是自然選擇的必然結果。

以上内容選自《生命的色彩：我們為什麼沒有綠色的頭發》

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《生命的色彩：我們為什麼沒有綠色的頭發》

作者：史鈞

出版社：重慶出版社

這個世界的魅力無處不在，我們需要對這個世界保留較多的探索之心。每一次的探索都是對人類乃至動物界的一種探索過程。

作者在書中呈現邏輯清晰的科學知識不僅僅讓我們拓寬了科學視野，更讓我們意識到了科學背後的各方不易。從發現光波開始一步步走進這個五彩斑斓世界的進化曆程與選擇機制，是無數科學家努力的結果。

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