摘要：蛇为什么没有“脚”？ 蛇怎么能吞下比自己大很多的动物？ 蛇又“聋”又“瞎”，是怎么感知周围环境的？ 蛇的身上总是有许多谜团，蛇类研究人员是如何从科学的角度认识蛇这类特殊而神秘的动物呢？

蛇为什么没有“脚”？ 蛇怎么能吞下比自己大很多的动物？ 蛇又“聋”又“瞎”，是怎么感知周围环境的？ 蛇的身上总是有许多谜团，蛇类研究人员是如何从科学的角度认识蛇这类特殊而神秘的动物呢？

在2023年的一项研究中，中国科学院成都生物研究所李家堂团队基于大规模多组学技术与基因编辑等研究手段，全面揭示了蛇类起源及特殊表型演化的遗传机制。相关论文以“Large-scale snake genome analyses provide insights into vertebrate development”为题，发表于国际期刊Cell。

该研究选取了全球极具代表性的不同支系的蛇类，阐明了蛇类四肢缺失、肺不对称发育与感官系统、消化系统等性状的遗传机制，对理解脊椎动物发育与复杂表型的演化具有重要意义。

蛇类的漫长演化之路：

“膝语蛇行”

“是时公督数边兵，威振东南，介胄之事，膝语蛇行，不敢举头。”——明·《徐文长传》

膝语蛇行是指跪着说话、像蛇一样伏地爬行，形容极其畏服的样子。 这一成语生 动地借 用了蛇的运动方式，也和我们对包括蛇在内的爬行动物命名有异曲同工之妙。

爬行动物是脊椎动物亚门（Vertebrata）爬行纲（Reptilia）所辖动物，由于这类动物运动时采用腹部着地，四肢向外侧延伸而匍匐前进的典型爬行方式，故得名为“爬行动物”。

尽管没有向外侧延伸的四肢，蛇类在分类上也隶属于爬行纲 ，是有鳞目（Squamata）蛇亚目（Serpentes）下的一个类群。现生蛇类是起源于同一祖先的单系群，但是枝繁叶茂的蛇类支系内嵌在同属于有鳞目的蜥蜴亚目（Lacertilia）的大树中，因此从系统发生学的角度来看， 蛇类与蜥蜴类亲缘关系尤为密切，算得上是一种“高度特化”的蜥蜴了。

蛇类的物种多样性很高，目前全球共有蛇类4038种，分别隶属于35科700余属。蛇类的分布范围极广，除南极洲外的其他大陆与海洋均有分布。蛇类具有如此之高的多样性与广阔的分布范围， 说明它们是一类演化极为成功的类群 ，但能够发展至今，蛇类的演化之路可谓是筚路蓝缕。

蛇类起源于1.2亿年前的白垩纪早期（~128.5 Ma），从蜥蜴类爬行动物逐渐演化而来，因此蛇类的祖先曾在白垩纪时期与恐龙共同生存。尽管起源古老，但早期蛇类却恨生不逢时。

在恐龙统治地球的漫长时期里，蛇类虽已初步分化出盲蛇下目（Scolecophidia）的盲蛇类、原蛇下目（Henophidia）的蟒蚺类与新蛇下目（Caenophidia）的原始游蛇类，但由于恐龙在多种生态位上的压制，蛇类在当时只能找个地缝钻进去营穴居生活而勉强度日，并未形成较高的多样性。

然而，发生在6600万年前白垩纪-古近纪（Cretaceous-Paleogene，K-Pg）大灭绝事件使恐龙时代落下帷幕，蛇类便抓住这一时机迅速发展，物种多样性得以迅速攀升 （详情请戳：一场大灭绝，却让蛇类因祸得福） 。

世界蛇类分布图

白垩纪-古近纪大灭绝事件之后，古新世（Palaeocene）新热带地区大气层中二氧化碳浓度很高，在一定温度下，变温动物的最大体型受代谢率限制，因此蛇类的平均和最大体长都有所增加。

2009年科学家在哥伦比亚东北部发现5800–6000万年前生活的泰坦蚺Titanoboa cerrejonensis就是这一时期的产物， 泰坦蚺也是迄今为止体型最大的蛇类，蛇体估计总长可达13米，体重超过一吨 （想来泰坦蚺也得和恐龙共存的蛇类前辈道一句：祖先们，时代变了！）。

不仅如此，现生蛇类多样性的代表类群——占到现生蛇类总数80%以上的真蛇下目也是在恐龙灭绝之后才开始辐射进化，短时间内形成了大量的类群，毒蛇类群也开始出现。所以，纵贯蛇类的演化历史，真蛇下目算得上是砌墙的砖头，后来居上！

蛇类的四肢，是逐渐丢失的：

“画蛇添足”

“蛇固无足，子安能为之足？”——西汉·《战国策·齐策二》

蛇的形态尤为特殊，四肢缺失是其重要鉴别特征之一。蛇与蜥蜴关系很近，但与蜥蜴类不同，蛇类无肩带与附肢，是四足动物（Tetrapoda）中没有四肢的类群。科学家们对揭开蛇类四肢缺失之谜也一直保持着浓厚的兴趣。

随着科研的进步，古生物学家已陆续发现具有后肢的蛇类化石， 目前越来越多的化石证据已表明蛇类的四肢在演化中经历了逐渐丢失的过程。 2015年科学家们又在巴西发现了早白垩纪时期具小巧而完整四肢的蛇类，在捕食或交配过程中，四肢可能起到抓握作用。

由此可见蛇类的祖先也是比较爱惜身体的，四肢缺失的过程并不是由于哪一代蛇一蹴而就， 而是世世代代深思熟虑才决定下来的。而这种有四肢的祖先蛇类的学名被命名为Tetrapodophis，意思是有四条腿的蛇，可谓是真正的“四脚蛇”了。

具四肢的蛇类化石物种Tetrapodophis amplectus

（图片来源：Martill et al., 2015）

虽然蛇类四肢缺失的形态演化的历史已经渐渐清楚，但是这一现象背后的遗传因素仍然未知。此前研究发现蛇类的SHH基因增强子（ZRS）特异性缺失了17个碱基长度的遗传序列，可能是导致肢体发育异常的原因之一。

本次论文的研究团队发现，蛇类中与前后肢发育、胚胎指形成等相关遗传信息发生了多个重要改变。其中PTCH1蛋白特异性缺失了三个氨基酸残基，表明编码基因突变和结构变异也可能是导致蛇肢体丧失的原因。因此，蛇类四肢缺失的谜题也正被逐渐破译。

野生型小鼠与PTCH1基因突变小鼠CT扫描成像与测量统计，示PTCH1突变小鼠前肢第四指骨和后肢第三趾骨显著缩短

（图片来源：Peng et al., 2023）

“巴蛇食象，三岁而出其骨。”——战国·《山海经·海内南经》

据《山海经》记载，有一种生于南海的巴蛇，体型巨大可以吞食大象，消化了三年，才把象的骨头吐出来。 这虽是传说，却把蛇进食与消化的科学特征展现得淋漓尽致。

实际上，蛇类能够将嘴张开到130°，不加咀嚼地直接吞食猎物。这是由于蛇类头部的下颌骨通过方骨间接与脑颅相连，左右下颌骨在颏部以韧带相连。 这些形态特征使得蛇嘴可以吞下比自己身体大得多的食物。 本次研究还发现头部正常生长所必需的LIMK2和MMP14等几个与上、下颌骨形态发生功能相关的编码基因在蛇中经历了强烈的正选择， 基因和调控因子的进化可能促进了蛇类独特头骨结构的进化。

同时，蛇直接吞下整个大型猎物又和消化密切相关， 很多蛇类每年可以仅进食几次而忍饥挨饿数个月，是“三年不开张，开张吃三年”型吃货的典型代表。 为了适应长期饥饿，蛇类索性丢掉了负责刺激脊椎动物食欲的食欲调节激素GHRL及其受体GHSR（可以说是感觉不到饿就不会饿了，颇有点阿Q精神的味道）。

另一方面，蛇类应对长期挨饿后的暴饮暴食也得有两把刷子，不然肠胃可受不了。蛇类中消化系统相关基因与胰腺发育调节因子ONECUT161经历了快速进化，负责消化的GBA2和TRYP2发生了正选择，蛇类中新演化的补体因子CFHs也对饮食过量反应起到重要作用。 这些遗传物质的改变可以增加蛇类忍饥挨饿、暴饮暴食的能力，增加其在长期食物匮乏状态下的生存能力，属于一种强大的生存天赋。

蛇的头骨演化与食性

（图片来源：Peng et al., 2023，作者有改动）

有传说中可以吞象的大蛇，也有只能吃蚁类的小蛇。盲蛇就是后者的典型代表。盲蛇体型极为细小，一般体长仅有10–20厘米，是形似蚯蚓的穴居隐匿生活的小型蛇类。因其穴居掘土需要，盲蛇头部骨骼连接致密牢固，不能吞吃大型食物，只能钻进地缝或树洞中寻找蚂蚁、白蚁成虫或卵为食。

不过，想要消化昆虫外骨骼中的几丁质可不是一件容易的事。研究团队发现，盲蛇类在酸性哺乳动物几丁质酶CHIA编码基因的一段结构域中发生了两个位点改变。进一步的实验表明，盲蛇中几丁质酶活性比缅甸蟒高约40%， 这种遗传改变可能有助于增强盲蛇对蚂蚁和蚂蚁卵中几丁质的消化能力，与食蚁兽等哺乳动物消化蚂蚁的方法不谋而合。

虽然蛇又聋又瞎，还是很敏锐：

“打草惊蛇”

“汝虽打草，吾已惊蛇。”——宋·《南唐近事》

“打草惊蛇”指人们打的是草，却惊动了藏在草丛里的蛇，那么“打草”为什么能够让蛇受惊害怕呢？我们经常在纪录片或新闻中看到印度街头舞蛇人在眼镜蛇面前吹笛子，蛇也跟着节奏有规律地扭动，仿佛受到音乐魔力控制一般，那么蛇是不是天生就有音乐细胞呢？

图片来源：科学大院瞎画师出品

实际上蛇没有外耳和鼓膜，只能靠耳柱骨将来自地面的低频振动传导至内耳，听力接收频率范围仅有50–1,000 Hz，远远小于人耳的听觉感受范围（20–20,000 Hz）。 因此，蛇类的听力实属差得可怜，舞蛇人只是利用身体扭动与踏地振动配合眼镜蛇自身维持直立的扭动来表演而已。

除了听力差，大多数蛇类（尤其是夜行性、穴居性的蛇类）视力也是高度退化的，属于天生的近视眼，仅对运动的物体较为敏感 ；尽管它们能够很好地适应光线较暗的环境。

虽然蛇类的听觉和视觉都不太行，但嗅觉还是可以的。 蛇类除了拥有鼻腔、嗅觉感受器、嗅觉上皮和嗅球组成的主嗅觉系统外，还拥有一套由舌头、犁鼻器、犁鼻上皮和副嗅球组成的副嗅觉系统。

研究还发现蛇类中包括VMN2R26、VMN2R1、OR14A16和OR14J1等许多新进化的基因都与嗅觉受体活性有关，嗅觉信号放大器UBR3也经历了快速进化，这些基因组创新可能是蛇类发达嗅觉系统的遗传基础，让蛇类的嗅觉很好地弥补了听觉与视觉不足，算得上是一巧破百拙。

蛇类嗅觉系统示意图与红外感应器官

除了嗅觉，部分蛇类还进化出了独特的红外感应功能，天生装备了类似红外热成像夜视仪的“高端军事武器”，能让蛇类根据温度差异成像“看”到猎物。这一过程不是用眼成像，而是用其头部脸颊处或唇部鳞片下陷或中空形成的颊窝（facial pits）或唇窝（labial pits）成像。

有趣的是，颊窝为蝰科（Viperidae）蝮亚科（Crotalinae）物种特有的红外感应器官，唇窝为更早演化的类群如蟒科（Pythonidae）及蚺科（Boidae）的部分物种所独有，几个类群虽然亲缘关系较远，但是却像商量好了一样，趋同演化出了红外感应功能。

红外感应使这些蛇类能够感知周围环境的细微温度变化，增强了它们对环境信息的获取能力以及对猎物和潜在的天敌的感知力，有利于其躲避天敌和夜间捕猎等。研究团队还发现， 编码基因和非编码调控元件的趋同演化使这些蛇类获得了感知红外光谱的能力 ，看来这些遗传信息的改变才是蛇类掌握红外热感这种尖端科技的奥秘。

来源：东窗史谈