在達爾文《物種起源》一書問世以前的1843年，英國古生物與比較解剖學家理查德·歐文便在其代表作On the Nature of Limbs中闡述了兩棲、爬行和哺乳動物（總稱四足動物）的四肢骨骼起源于肉鰭魚類的魚鰭這一觀點。該觀點在此后的180年間廣泛出現在教科書和浩繁的科普讀物中，成為了演化生物學中同源演化的一個經典范例。
隨著近30余年來交叉學科的快速發展，大量精美保存的“中間過渡類型”化石的發現逐漸揭開了蒙在從魚類到四足動物演化歷史上的神秘面紗，如魚類背鰭和鰓蓋骨的丟失、頭骨由左右兩側扁平到背腹向扁平的轉變等。四足動物四肢的大部分結構與肉鰭魚類的胸/腹鰭具有同源關系更是得到了形態學、發育生物學和分子生物學等方面研究的支持。以前肢為例，肺魚的胸鰭與人類的手臂具有大致相同的解剖結構和關節方式，即由近端一根長骨（肱骨）與遠端兩根長骨（尺骨、橈骨）關節，并進而與近端腕骨相關節。肺魚胸鰭的遠端（基骨與膜質鰭條）與哺乳動物前肢的遠端腕骨、掌骨和指骨具有不同的形態和關節方式，卻具有相似的多個基因表達模式和調控機制，比如在胚胎發育早期均受到Hoxa13和Hoxd13基因的調控。近十余年來，對于肉鰭魚類是否具有手指，以及四足動物的手指、掌骨和與之關聯的遠端腕骨究竟是否代表了四足動物的演化新質(evolutionary novelty)一直爭論不休。
遺憾的是，古生物學家在泥盆紀時代（距今約4.2—3.6億年前）巖層中遲遲未能找到介于胸/腹鰭與四足動物的遠端腕/跗骨和指/趾、掌/蹠骨之間的過渡形態類型。靠近四足動物共同祖先的肉鰭魚類化石中，如提克塔里克魚(Tiktaalik)的胸鰭遠端具有多個基骨和鰭條；這些基骨和鰭條在由鰭到四肢的演化過程中丟失，并由腕、掌、指骨取代。另一方面，發現自泥盆紀末的最早四足動物代表如棘螈(Acanthostega)、魚石螈(Ichthyostega)和圖拉螈(Tulerpeton)的四肢分別具有8、7和6根手指/腳趾。這些化石記錄表明四足動物在演化的早期存在由多指/趾型向五指/趾型的轉變。
此外，胚胎發育研究為了解從魚鰭到四肢的演化開啟了新的篇章。前人研究發現現代四足動物的最原始類群——蠑螈類（一類現代兩棲動物，代表物種為中國大鯢，俗稱娃娃魚）肢骨的早期發育過程【間充質細胞聚合（mesenchymal condensation）和軟骨成骨（chondrification）】存在軸前優先性(preaxial dominance)，即長軸前側（靠近大拇指的一側）的骨骼先于后側的骨骼出現。例如，墨西哥鈍口螈的腳趾形成順序為II-I-III-IV-V，脛骨先于腓骨形成。這一發育模式與蛙類和羊膜動物肢骨早期發育過程中所展現的軸后優先性(postaxial dominance)恰好相反，如蛙類或烏龜的腳趾形成順序為IV-V-III-II-I，脛骨也晚于腓骨形成。四足動物，特別是非羊膜動物在四肢早期發育過程中的模式差異被普遍認為也存在于之后的骨化過程(ossification)中。
圖1 肉鰭魚類胸/腹鰭到四足動物四肢的宏觀演化以及前人所發現的現代四足動物中四肢發育極向性的對比。
在過去的一個世紀里，軸前優先性被認為是蠑螈類的特有、進步發育模式，而軸后優先性則代表四足動物原始的發育模式。最近十年來，研究人員發現軸前優先性也出現在了二疊紀時期（2.9—2.5億年前）個別兩棲動物離片椎類(temnospondyls)的手指和尺/橈骨的骨化過程中。而腕/跗骨的骨化模式在蠑螈類和已絕滅的原始四足動物中因受到骨化時間較晚和化石保存欠佳等因素的限制遲遲未能得到深入研究。
北京大學地空學院史前生命與環境研究所高克勤教授團隊在長期的研究過程中積累了大量中生代和現代蠑螈類標本和數據。基于214件標本的高精度CT掃描和三維重建，賈佳博士后和高克勤教授及國內外合作者對蠑螈類6科37屬60個物種的腕/跗骨進行了骨化發育模式分析。研究對象涵蓋了蠑螈類中腕/跗骨會發生骨化的所有現代和化石支系，同時也對多種已絕滅的早期四足動物，如殼椎類(lepospondyls)、離片椎類、羊膜類等進行了梳理。
該研究發現軸前優先性在四足動物多個類群的遠端腕/跗骨骨化過程中存在，包括大部分蠑螈類、4種離片椎類(Archegosaurus,Amphibamus,Balanerpeton,Gerobatrachus)、1種原始殼椎類(Sauropleura)、1種原始羊膜類(Diadectes)和2種原始四足動物(Greererpeton,Proterogyrinus)。若以手臂為例，即第1、2遠端腕骨先于第3、4遠端腕骨骨化。軸后優先性存在于包括所有蠑螈類在內的四足動物以及澳洲肺魚的近端腕骨(如橈側腕骨、y腕骨、中央腕骨、尺側腕骨、間腕骨)的骨化過程中，即橈側腕骨與y腕骨總是最后骨化并具有顯著的延遲現象。同時軸后優先性也存在于較為進步的兩個蠑螈類群（蠑螈科和無肺螈科）的遠端腕骨的骨化過程中，即第4遠端腕骨先于第1、2遠端腕骨骨化。此外，該研究發現尺骨在靠近四足動物共同祖先的肉鰭魚類中與大部分基骨和鰭條直接關節，在四足動物基干類群中與長軸后側的掌骨和指骨直接關聯，而在更為進步的四足動物冠群中則與遠端腕骨直接關節，并且遠端腕骨與手指數目形成了一一對應關系。更有意思的是，該項工作觀察到遠端腕骨在早期四足動物中先于所對應的尺側手指丟失，而在蠑螈類中則晚于所對應的尺側手指丟失。
圖2 蠑螈類原始支系泛小鯢類(Panhynobia)的腕骨與跗骨骨化模式。其中遠端腕/跗骨展現出軸前優先性，近端腕/跗骨展現出軸后優先性。
圖3 蠑螈類進步支系蠑螈亞目(Salamandroidea)的腕骨與跗骨骨化模式。其中所有屬種的近端腕/跗骨以及部分無肺螈科(D,Aneides;F-H,Thorius)和蠑螈科(K,Lyciasalamandra;L,M,Notophthalmus;O,Paramesotriton)的屬種的遠端腕骨展現出軸后優先性，其余屬種的遠端腕/跗骨展現出軸前優先性。
該研究表明四足動物的腕/跗骨內部存在不同的發育模式，不應再被認為是一個整體。遠端腕/跗骨具有獨立的發育模式和演化歷史，是四足動物的演化新質。軸前優先性也不應被認為是蠑螈類或個別離片椎類所特有的、進步的發育方式，而是早期四足動物中普遍存在的、原始的肢骨發育模式。軸前優先發育模式的出現與幼體的類型（larval type，如池塘型、溪流型）和生活史類型（life history strategy，如變態發育、幼態持續等）無關，很可能與四肢運動過程中受到的運動應力限制有關。與眾多在個體發育過程中較晚出現的結構易于在演化過程中較早丟失的現象相似，遠端腕/跗骨所展現出來的軸前優先性促進了肢骨長軸后側的指/趾數目的丟失，即四足動物由早期的多指/趾型向五指/趾型的演變，同時也對四足動物冠群中遠端腕/跗骨與指/趾、掌骨形成一對一關系起到了穩定作用。
圖4 四足動物肢骨發育和演化模式
圖5 早期四足動物五指/趾型形成，遠端腕骨和跗骨的起源和骨化極性對比
該項工作以“Ossification patterns of the carpus and tarsus in salamanders and impacts of preaxial dominance on the fin-to-limb transition”為題發表在Science Advances上。北京大學博雅博士后賈佳（現為加拿大卡爾加里大學博士后）為論文第一作者和通訊作者，芝加哥大學Neil Shubin教授及地空學院高克勤教授為共同通訊作者。該項工作得到了國家自然科學基金、中科院南京古生物研究所現代古生物學和地層學國家重點實驗室開放課題、加拿大自然科學與工程委員會探索項目以及中科院先導A項目的支持。