第1章 科学

执子之手，与你聊聊手的故事

文/张雨晨

编辑导语：

往期“科学”栏目里，我们多数时间把目光聚焦在前沿尖端的科学研究上，不过在我们看似庸常的生活里，也隐藏着一些我们不够了解的奥秘。本期小编将与大家一起暂别星辰大海，回归基础学科，说说人类身体器官的那些趣事。

手，是我们最熟悉的、最常用的身体结构之一。通过双手制造工具、使用工具的能力也被认为是推动人类演化的一大关键因素。那么，我们的这双手到底有什么特殊之处？漫长的自然演化中究竟出现过哪些不同的手？为什么前肢同样也解放出来的恐龙没能发展出智慧？今天，就让我们来认识一下这对熟悉又陌生的老朋友。

一、伸手不凡

我们看似平凡的手，其实是一个非常精妙复杂的功能系统，堪称自然演化的精美作品。8块腕骨、5块掌骨以及14块指骨（拇指只有两节）共同组成了它的基本框架。其中，8块被医学界编为五言古体诗——“舟月三角豆，大小头状钩”的腕骨，共同构成了一个灵活的关节面，赋予了双手灵活转动的自由。而宽大的手掌与灵活的五指，则源自哺乳动物远祖的经典手型。

至于连在手上的肌肉，也可以根据所处的位置分为两类。其中一部分起点及主体都位于小臂的肌肉，其末端的韧带经过腕部、连接在手骨上。若你将手从书上移开片刻、活动一下手腕，是不是会发现小臂上的肌肉都在彼此配合着收缩舒张呢？除此之外，还有一些分布在手掌内部的小肌肉，它们通过牵引绳一般的韧带，去拽动手指上一层一层的小关节，参与手部的灵活运动。因此，对于包括人类在内的大部分脊椎动物来说，我们的手指本身几乎都是没有肌肉的——倘若你回想一下啃鸡爪、鸭掌或者猪蹄的美好记忆，就会发现这些美味之中似乎都没有多少货真价实的肉。

不过，人类的双手也为了这种灵活而付出了结构复杂脆弱的代价。与很多夸张修辞迥然相反的现实是，人类的双手并非适合战斗的“铁拳”，一言不合后挥拳相向导致的指骨骨折在世界各地的急诊室中都屡见不鲜。即便是经过专业训练打熬筋骨的格斗运动员，在正规比赛中依然要戴上有护指的搏击拳套。而到了一剑封喉的持械决斗中，作为离敌人最近并且直接操纵武器的身体部位，手更成了各路剑法“重点关照”的目标。我国的古剑术中，就有不少故意等对方出手后再精确截击持械手的招式，从而后发制人、以攻止攻。至于欧洲的剑士们，则在手中的利刃上加装了大型的十字甚至盘花护手，不但一举废掉了大部分“剁手”剑招，同时还衍生出了多种利用护手封锁对方剑路并同时发动防守反击的“大师之击”。

在掌管运动的骨骼、肌肉和韧带之外，手的最外部还有皮肤包裹。在这层柔韧的皮囊下，各式各样的触觉感受器以惊人的规模组成了堪比古代军阵的密集阵列。为了处理如此之多的输入信息，我们大脑的触觉皮层中专门为此划出了面积颇为可观的投射区域。

为了将难以描述的触觉进行量化，科学家们玩起了一个“两点辨别”的把戏。他们用镊子的两个尖端同时触碰受试者的皮肤，通过记录镊子尖端之间的距离以及受试者仅凭触觉获得的体验，来测定各处皮肤的“分辨率”。也就是说，当镊子尖端小于一定距离时，实际上只激活了皮肤下单独一个触觉感受器，大脑如果仅靠触觉来判断，自然也会产生“一个点”的错觉。只有当刺激距离大于这个最小分辨率时，镊子的两头才会分别落在不同感受器的感受野内。如此一来，就能让大脑产生准确的触觉判断。

而我们手上密集排布的感受器以及大脑中对应的投射皮层，则共同为我们带来了“极致超清”的触觉体验。即便是不幸失明的盲人，也能利用演化赋予我们的指尖精细触觉，通过触摸来阅读布莱叶盲文，继续通过文字享受知识与情感带来的光明。

有输入就有输出。与庞大的输入相对应的，大脑中负责输出手部运动信号的皮层也大得不成比例。如此一来，我们的手就可以在敏锐的触觉反馈下，进行很多非常精细的操作。当我们提笔写字的时候，指尖的感受器就会把纸笔的触感传递到大脑，并以此来调节手指的力量和角度。这样，我们才能流畅地写写画画，而不会力气太大戳破纸面。实际上，我们与灵长类亲戚的双手，在解剖结构上的差异并没多么显著。人类大脑强大的“后台运算支持”，才是我们双手功能碾压一众“齐天大圣”的根本原因。

时至今日，从提笔写字、敲打键盘到划动触屏，我们的生活已经完全离不开双手精细的触觉与运动功能。从上百万年前东非峡谷中的阿舍利石斧到如今的智能手机，人类手中的工具经历了翻天覆地的剧变，但创造它们、使用它们的双手，却一直维持着大体相同的结构。

二、白手起家

那么，第一只手是什么时候出现的呢？

对于人类以外的动物来说，“手”并不能算是个严谨的科学术语。但如果将其从广义上理解为“有运动以外功能的前肢”，那么手的历史将会久远得令人惊讶。

早在原生动物时代，变形虫的伪足就已经有了捕捉包裹猎物的能力。这些微型“百变怪”可以将细胞表面的一部分凸起，并不断地将细胞质填充进去，从而扩张伪足的范围，甚至还可以通过这种“拆东墙补西墙”的方式，让细胞整体完成水银泻地一般的流畅移动。

作为原始单细胞生命的后裔，我们这些多细胞生物依然继承了先祖们变形移动的能力。当然，指望一个细胞分工严格、结构复杂的大活人突然“还原”成一摊混沌无形的“修格斯”自然不太可能。不过在我们体内，确实还有一些“到处伸手”的细胞，比如中性粒细胞、巨噬细胞，以及担任脑细胞“皇家禁卫”的小胶质细胞。这些不需要固守“工位”的免疫细胞可以在防区内游走巡猎，用伪足吞噬任何闯入的不速之客，保护机体的健康。

当然，在多细胞时代，最早出现的宏观大型附肢，当属珊瑚和水母等刺细胞动物们辐射分布在腔肠开口外的捕食触手。这些看似柔弱无力的“纤纤玉手”，往往密布着带有剧毒倒钩的刺细胞，杀伤力远比看起来要强大。到了节肢动物统治海洋的寒武纪，这些海中新贵们已经将附肢分化出了用于游泳、爬行、捕食等功能的专用形态。而在其中扮演着“手”这一功能的捕捉足中，又大体出现了三大“门派”。

其中一类走力量路线的捕捉足，成了螃蟹、鳌虾和蝎子等诸多凶悍猎食者行走江湖的大钳子。这种由附肢最末一节和倒数第二节突出部组合而成的“家伙”，可以通过在内部粗暴堆砌大块的强壮肌肉来获得惊人的力量，一些大型鳌龙虾的巨钳甚至可以将潜水者的手指生生夹断。当然，这些塞满鲜甜肌肉的武器，对于人类来说同样也是令人垂涎的美味佳肴。

至于偏好速度与敏捷的节肢猎手，则形成了弹簧刀一般的折叠式捕捉足。不管是螳螂、蝎蝽、螳蛉甚至俗名“皮皮虾”的螳螂虾，所有因趋同演化而独立发展出类似武器的猎人，都不约而同地成了精通伪装潜伏与爆发突袭的“刺客”。其中将速度练到登峰造极的雀尾螳螂虾，更是进入了“重剑无锋”的境界。它们的捕捉足特化为一对高速击锤，全力一击的加速度堪比手枪子弹，足以直接将猎物的坚硬外壳甚至水族箱敲碎。

而在力量和速度之外的最后一大类捕捉足，就是蜘蛛和蜈蚣等“毒虫”的鳌肢。这种往往被误称为“毒牙”的特化前肢，已经演化为一对兼具破甲锥与注射器功能的处决刑具，可将致命的毒液注入猎物体内，使其在痛苦中被活活消化成一摊浓汤。同时，蜘蛛等节肢动物在鳌肢和步行足之间，往往还保留了一对触肢。这对“小短手”不但可以用于辅助抓取猎物，还会在求偶等活动中发挥作用。

另外，作为无脊椎动物中感官与智力最为发达的头足类，自然也顾名思义地在头部环绕着口器长出了数目不等的腕足。因为内部没有骨骼的约束，这些灵活的腕足，甚至可以让自诩巧手的人类甘拜下风。不过对于人类来说，这同样也是鲜美可口的蛋白质来源。

等到了脊椎动物爬上陆地后，因为肢体数量的限制，以合弓纲（旧称似哺乳爬行动物）为代表的早期羊膜动物都没有了“腾双手出来”的余裕，只能将有且仅有的两对附肢都投入到“脚踏实地”的运动任务中来。

直到三叠纪晚期，随着主龙类羊膜动物的演化，其中一些类群成功地实现了生命史上的首次双足平衡行走，成了第一波拥有了“双手”的脊椎动物。在这之后统治地球一亿多年的恐龙，就是这些主龙中发展得最好的一群。不过，我们的哺乳动物家族却迟迟没有出现双足行走的成员。哪怕是从恐龙手中接收了百废待兴的新生代地球后而出现空前适应辐射的哺乳动物，纵然前肢有着伸缩利爪、蹄子、翼手和鳍脚等多种特化形态，却一直缺少一对完全从运动功能中解放出来的自由双手。

改变这一切的事件，发生在第四纪的非洲大陆上。

三、心灵手巧

南方古猿是人类演化历史上至关重要的一环。

在祖先与黑猩猩分道扬镳之后，南方古猿的智力水平并未出现飞跃性地提升，其脑容量和现在的大猿们比起来也没高出多少。不过，人类智慧演化的这一次推进本就和大脑无关，而是因为躯干与四肢的变化。

从目前的出土化石看，南方古猿已经初步实现了双足直立行走，双脚已经不再像其他灵长类那样蜷曲对握，而是有着类似我们现代智人的平坦脚板与短粗脚趾。此外，南方古猿的脊柱与骨盆也呈现出了逐步适应直立行走的演化趋势。可以说，如果我们“魂穿”回两百万年前的非洲大陆，“入住”南方古猿身体，其实从结构本身而言已经足以胜任我们绝大部分的要求了。

可以说，正是双足行走这一演化特征赋予了南方古猿利用双手制造工具并接受自然正向选择的机会。只有双手完全解放之后，制造并携带工具才有了明显的生存优势。而这种优势，又反过来筛选着种群内双手最灵巧、脑子最聪明的个体。相比之下，不管在树上还是地面上都必须四足并用的其他大猿，就一直因为无法便捷地携带并使用工具而在智能演化的门槛上徘徊不前。“劳动创造了人”虽然说得过于笼统，但也多少触及了人类演化的关键。

但正如我们之前所见，在演化之路上，有能力腾出双手的物种并不少。若是说无脊椎动物因为神经系统不够发达而无缘高级智能，那为何同为脊椎动物的恐龙，也没能在长达一亿多年的统治历史中借助现成的双手发展出人类这般的智慧呢？

是因为恐龙的脑子太原始吗？未必如此，作为其直系后裔的鸟类，就不乏渡鸦、喜鹊等精明狡猾的成员。甚至在非鸟恐龙依然统治大地的中生代，非常接近真正鸟类的伤齿龙一脉也演化出了相对较大的脑容量。但不管是伤齿龙还是乌鸦，却都没能在漫长的演化路程上爆发出人类这般惊人的智力演化。

这其中的原因，既有偶然，也有必然。

说它偶然，是因为智力的演化仅仅是生命面对自然选择的一次随机试错，我们的祖先只是机缘巧合才在当年做出了如此的选择。如果让演化的故事重新来过，灵长类未必会走向高度智能，而另一些动物也将有机会选择全新的演化方向。

必然的一面，则来源于恐龙继承自鸟跖类主龙祖先的灵活头颈。不同于只能靠七块“祖传”颈椎撑门面的哺乳类，恐龙与鸟类的颈椎数目并不固定。而兽脚类恐龙灵活有力的脖子以及发达的头部，往往会让解放出来的前肢陷入“无事可做”的窘境。从独霸天下的霸王龙到比火鸡大不了多少的单爪龙，兽脚类恐龙在各个“重量级”上都不乏前肢极端退化的成员。

至于驰龙、伤齿龙和窃蛋龙这些前肢相对发达的类群，它们的“手腕”虽然为了能让“双手”折叠贴合身体，而有着超越人类的惊人可动性，但“手指”却并没有进一步向着灵活精细的方向演化。它们弯曲的利爪已经很好地承担了大部分生存所需的必要功能，不管是用来战斗、抓取还是攀爬都已绰绰有余。对于这些身披华美羽衣的龙族来说，前肢的解放并没有赶上大脑演化的时机，从此走上了一条完全不同的演化道路，最终成了御风飞天的羽翼。

手和脑，只有在准确配合的情况下，才能通过彼此的循环促进，让一个种群走向智能演化的道路，并逐步脱离自然选择与生物演化的桎梏，转而在抽象的认知层面，展开一场全新的演化风暴。

我们用双手创造的一切，都是智能演化的空想具现。

四、只手擎天

人类用手创造了手。

作为人类双手的延伸，机械手的出现，让手的演化走完了一个螺旋上升的轮回——生物的演化已然走到了无力跟上科学发展的尽头，而认知的演化则经由全新的人造载体创造着空前发达的现代文明。

在距离我们并不遥远的厂房里，无数的工业机械手每天都重复着成千上万次精确无误的操作，以人类技工望尘莫及的效率生产着供养现代社会的海量工业产品。在医院的手术台上，原本堪称人类双手功能极致挑战的外科手术，如今也能假借医疗机器人的机械之手代劳；经验丰富的外科医生，甚至可以通过这些“机器替身”，为千里之外为患者进行远程手术。而在我们头顶的太空轨道上，航天器与空间站装备的大型机械手，正在太空的极端环境中对精密的航天设备进行操纵与检修。甚至在更加遥远的太空中，火星探测器的机械手也在代替人类完成了一次又一次的异星接触。

手是推动智能演化的助力，也是实现梦幻与理想的桥梁。现在，就连我们的双手本身，都已将演化的接力棒彻底交给了外观迥异的各种机械手。也许到了未来的某一天，这些已经高度发达的机械造物，将会带着人类的意志，去触摸遥远宇宙的璀璨深空，为人类点亮的文明之光开启全新的演化篇章。

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