五千萬年里鯨類的動力改造：如何從陸上跑到海里漂（whale）

鯨類是最成功的海洋哺乳動物之一 也是最壯觀的海洋巨獸 從浣熊大小的印多霍斯獸 到後來巨頭頻出的海獸之王 鯨類共演化了近5000萬年 它們到底做對了些什麼 讓自己成功登頂海洋 繁盛至今呢 大門的開啓 肯定要從動力系統的改造開始 畢竟啊 陸上運動和在海洋中天差地別 墨守成規寸步難行 其實印多霍斯獸自己就已經開始鋪路了 它們雖然以陸生植物爲主食 但在骨骼方面做出了大的改變 演化出了類似於現代河馬的骨骼形態 四肢的骨密度增高 這可以幫助它們留在水下 把倉壓足 不至於被迫上浮 這招還可以幫助它們保命 當面臨捕食者的威脅時 印多霍斯獸就可以潛入水中 它們能在水面下隱藏長達4分鐘 在這之後呢 八極鯨開始接力 但是它整體改變不大 除了有一定的水下聽力外 主要以涉水爲主 更像一個經常會待在水裏的陸生動物 這裏呢要特別提醒一下 鯨類聽力的進化和四肢的進化 是不同步的 從陸生到水生過渡中 鯨類呈現出了一種鑲嵌式進化 衆多器官系統是以不同的速度在演化 某些身體部位或者系統很快就變了 比如說外耳的消失 而其他部位卻沒有同時跟進 4700萬年前 蜥蠅步行鯨登場 鯨類也邁出了適應水生生活的一大步 步行鯨也是最早的兩棲鯨類之一 它的前肢很小 後肢卻很發達 長耳扁平的腳趾還表明 步行鯨有譜足 並具有一定的鹿行能力 整體來看呢 這個三米長的小傢伙和大型海獅差不多 在行動方面一般認爲 鹿行鯨是用後肢滑動骨盆 而不是用尾巴作爲水翼來游泳的 幾乎研究也表明 在水中步行鯨會像水塔一樣 用足部滑水 利用脊柱的垂直軸向波動 來推動後肢和游泳 讓背部像波浪一樣上下起伏 值得一提的是 這種方式非常的靈活 靈活到了現代 依舊有部分鯨類 會採用這種上下起伏的運動方式 但是步行鯨也不是沒有缺點 它的游泳速度太慢 路上也不夠靈活 大多數的時候是拖着腳走的 這對捕獵來說就相當要命了 爲了生存 步行鯨可能更喜歡 一動不動的潛伏在水中 直到獵物靠近 再發動突然襲擊 它們長得呢 也有點像鱷魚 在這之後呢 鯨類開始進入了下海的快車道 從達連特鯨開始 到羅德後鯨 泰卡鯨和加富特鯨 鯨類的後肢開始不斷的退化 前肢變成了鰭狀肢 鯨類就從兩棲動物 向着完全水生的動物開始轉變 它們的身體和海豚越發的相似 尾部推動力開始增強 舉個例子 羅德後鯨的後肢 就比路行鯨們要小 前肢有譜 遠端的趾骨短而有提 這就表明它雖然以水生生活爲主 但是依舊能夠在路上活動 只是運動能力有限 在動力系統方面 它的尾巴非常的健壯 尾息的波動 已經開始在鯨類的水下運動中 發揮重要作用 到了龍王鯨時期 這麼大戲開啓高潮 鯨類的演化 在這種可以長到20米的大型海獸身上 推向了第一個高峯 龍王鯨是古鯨小木中 風化腳腕的一個科 8月份的《一大一小》 已經充分展示了龍王鯨科 多樣化的程度 龍王鯨科的成員 不僅適應了完全水生的生活方式 還對身體結構進行了各種操作 比如說拉長增重 體型增加 還有追體數量的增加 最終龍王鯨本尊應運而生 這是4130到3390萬年前 特提斯洋裏最常見的掠食者 也是古今地最大的動物之一 僅有同族的巨象壁虜鯨 能在體重上壓太一頭 鯊魚大型魚類 其他的海洋部落動物 甚至它們的同類毛尺鯨 龍王鯨來者不拒 這就是頂級掠食者的風範 在攻擊力方面 龍王鯨演化出了強大的咬合力 根據受害者毛尺鯨提供的線索 龍王鯨至少可以施加 16400牛頓的最大咬合力 甚至可能超過2萬牛 也只有如此爆表的力量 才能在毛尺鯨的頭骨上 留下觸目驚心的咬痕 但是龍王鯨也是有弱點的 它們長了個鰻魚狀 或者說麪條狀的身體 在水中就不夠靈活 只能以二維的方式遊動 比如說在垂直平面上的慢勢移動 龍王鯨相對較弱的軸向肌肉組織 和四肢粗大的骨骼 也限制了它們持續游泳 或者深潛的能力 此外和現代鯨類不同 在古鯨項目中 肘關節是靈活的 能夠旋轉 龍王鯨的騎狀之中 就保留了一個可以活動的肘關節 就像海豹一樣 講完了龍王鯨 我們再來看一看它的獵物 毛尺鯨亞科 這些鯨類多爲海豚大小 後肢與龍王鯨相比更小 或者就沒有後肢 但是委屈的骨骼形態表明 毛尺鯨亞科的尾齊筋翼已經進化了 它們游泳是利用軸向波動的 尾部的震盪來推動的 尾部的震盪波動 也是所有現代鯨類的游泳模式 但是要注意一點 雖然很像 鯨類的尾齊筋翼 可不是後肢的痕跡 它是繼發獲得的結構 來自於胚胎中出現的皮膚 和尾部結地組織的外生物 這種變化和現代鯨類的身體結構 是有關的 大多數現代鯨類的身體 已經僵直了 而流體動力學 運動學和生物力學的研究表明 現代鯨類的游泳效率 是通過軸向震盪來優化的 這種震盪 利用了基於生力的震盪水域 只能由尾部來完成推進 總體來看 鯨類從岸上跑到海里漂 在動力系統上 最少經歷了4次轉變 從印多霍斯獸的四足滑槳 到步行鯨的骨盆滑降 再到羅德後鯨的尾巴的背覆側波動 然後是龍王鯨尾巴與身體運動的 同步的尾側擺動 最後就是現代鯨類們通用的 只靠尾巴推進的方式了 今天我們看到大多數鯨類 都是利用尾巴推進的 只有少部分會保留類似於 祖先的那種 身體和尾巴同步運動的方式 那在演化中 鯨類的鰭狀肢 又發生了哪些變化呢 現代鯨類的後肢 已經完全退化了 只有在鯨類的胚胎階段 還能看到它們形成的 出脊後枝芽 在前肢方面 鯨類的肘部 腕部和趾骨的這些關節 都是固定的 唯一可活動的關節 是肩關節 它主要通過三角肌 和肩甲下肌來活動 一般是充當鯨類們 維持平衡的穩定器 多趾骨形成了一個 由許多小部件構成的骨架 這些小部件 穩定了強壯靈活 但又堅硬的鰭 大體上來說 鯨類的臍狀肢 獲得了一種新的 穩定和轉向的功能 但是它們幾乎不再產生 任何推進運動 這個工作 是由鯨類的尾巴來完成的 最後我們來看一下 鯨類演化的成果 它們的臍狀肢 先來看鯨類的肱骨化石 這塊化石來自美國 北卡羅蘭納州 奧羅拉郡的裏西 時間範圍在中心時到上心時 這塊肱骨化石 在羅伯特·伯塞內克博士的 協助下完成了分類 它和尺骨化石一樣 屬於虛晶顆 有可能來自於虛晶屬 在位置方面 該肱骨化石 位於臍狀肢的自由關節處 鯨類的肱骨 會受到肩部複合體的肌肉控制 它主要的作用 是調節並控制身體的姿勢 同時對抗身體的慣性和水阻力 在結構上 鯨魚的肱骨短而健壯 但比於它相連的 繞骨和尺骨要短 扁平的前臂 被纖維組織牢牢地結合在了一起 形成了自由肢體的半流線性核心 同海獅海豹和海象等水生部落動物不同 所有鯨類的肢骨 都沒有開放的水腔 取而代之呢 是貫穿其內部的海綿狀 和多孔的骨頭 這是對水生生活的完全適應 鯨類的總體密度也相對較低 除了巨像畢魯鯨 大多數鯨類的骨增厚現象 都沒有那麼極端 人們還發現 古鯨小母和非早期分化的 虛晶小母的肱骨中 存在發育良好的三角脊 這就表明 功能齊全 這些鯨魚呢 能夠以複雜的方式 旋轉手臂 但是我們看到的這塊 來自中心式的肱骨化石中 三角脊已經被簡化了 肱骨下端呢 還有兩個關節面 就是繞骨和齒骨的關節面 它們被橫擠分開了 這一特徵啊 是新鯨類的同源特徵 新鯨類的齒晶小母和虛晶小母 都有類似的表現 說完肱骨呢 我們來看一下繞骨 晚期古鯨小母的繞骨 與虛晶小母的主要區別就在於 古鯨小母繞骨的前緣高度的中間 有一個發育良好的繞骨脊 這個脊啊 代表了手前旋方肌的附着部位 它起的是手掌向下的作用 這種脊在虛晶中的減少或缺失表明 虛晶們可能並不擅長這種動作 最後呢 我們再來看一下鯨類的齒骨化石 這塊齒骨化石 同樣來自於北卡羅拉納州 奧羅拉郡的裏西 晚期古鯨小母的齒骨 呈平行的前後緣 鷹嘴突與遠端邊界和骨軸後緣 形成了寬曲線 值得一提的是 虛晶們在齒骨的細節上 是有很多不同的 始虛晶科 一個銳角會將鷹嘴突的遠端邊界 與骨軸的後緣分開 大多數鏤脊晶型類也存在銳角 但是鏤脊晶科除外 它們這個位置的銳角已經消失了 不同鯨類鷹嘴突的大小和形狀 高度多樣化 綜合來看呢 雖然不再提供動力 鯨類的齊狀肢 依舊有着很重要的作用 這是鯨類們游泳 機動以及穩定身體的重要部位 所以鯨類還在齊狀肢的演化上 展現出了高超的適應能力 它們齊狀肢的大小和形狀 都和自身的生態位緊密相關 比如說虎晶以及抹香晶 就是圓形和角狀的只 寬紋海豚是三角形的 到了長虛晶又變成了長翼狀 至於白晶和一角晶 那更是不走尋常路 在旗幟的邊緣再來個向上彎曲 在這之中呢 坐頭晶最值得一提 它們的齊狀肢薄而且狹長 前緣還有較大的流狀凸起 這就使得坐頭晶的齊狀肢 呈現了圓尺的外觀 這在鯨類中是獨一無二的 它是坐頭晶們爲了操控自己 獨特的氣泡雲 特意設計出來的 這種結構可以降低水域的阻力 提高可操作性 幫助坐頭晶們在捕食求偶時 更具優勢 人們就是根據這種結構 改進了風力渦輪機的前緣設計 仿生學的魅力 讓我們和海洋巨獸拉近了距離 在這片大洋中 這羣最壯觀的精靈們 還會給我們留下多少驚喜呢