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挑肥拣瘦巨鲨灭亡,太大易饿

2019年5月2日 - 美高梅mgm02233.com
挑肥拣瘦巨鲨灭亡,太大易饿

(vicko238/译、Ent/校)传统上人们相信,鲸鱼之所以长得很大,仅仅是因为它能长很大。水有浮力,海洋广阔,似乎正是这束缚的缺乏,让哺乳动物能够长出惊人的尺寸。

为什么水生哺乳动物要大,但不能太大?

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不过新的研究指出,水生哺乳动物身上的束缚也许反而更多——而不是更少。为了搞清楚这件事,研究人员观察了3859种现存哺乳动物和2999种化石物种,指出这些动物的体重是如何随着哺乳动物系统的演化而变化的。他们的研究发表在3月份的《美国国家科学院院刊》上。

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找点零食。图片来源:Alberto Gennari

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任何人如果亲眼目睹了鲸鱼或笨重的海象,就可以将海洋生物与哺乳动物的无限大小联系在一起,但新的研究表明,哺乳动物的生长实际上比陆地上更受限制。

巨齿鲨拥有强大的咬合力,其3米宽的下颌可压碎一辆小汽车。

座头鲸(Megaptera
novaeangliae
),成年个体长达12-16米,重约36吨。图片来源:Wikimedia
Commons

斯坦福大学的研究人员的这一发现与先前的理论形成了鲜明的对比,这些理论认为,在水中,身体大小的压力应该更放松,也许是因为大的环境和动物漂浮的能力,而不是为了支撑它们的身体重量。

但这种迄今为止体型最大的鲨鱼似乎喜欢吃开胃小菜,而不是大猎物,这可能是它们毁灭的原因。

虽然有些巨鲸和水獭是例外,但大部分海洋哺乳动物类群,体重都聚集在500千克体重线附近,不管和它关系最近的陆生哺乳动物多大。狗、长颈鹿和鼹鼠与海豹、鲸和海牛都同属于一个演化大类群,但从鼹鼠到长颈鹿就差异很大,而海豹、海牛以及大部分鲸却都差不多。这让研究者想到,也许这不只是一个水允许哺乳动物长更大的问题,而是这些动物似乎趋向于一个特定的体重——500千克。

相反,该研究小组发现,水生哺乳动物的大小在小的末端是有界的,因为它们需要保持热量,而在很大程度上,它们很难获得足够的食物来生存。该研究小组于3月26日在《美国国家科学院院刊》上发表了他们的研究成果。

体长16米的巨齿鲨在距今约260万年前灭绝,被认为在地球海洋中潜伏了1400万年左右。

数据为这种奇怪一致性提供了一个简单解释:海水会偷走动物体温。

“许多人把进入水中看作是对哺乳动物的更自由的释放,但我们看到的是,这实际上是更大的限制,”合著者乔纳森·佩恩说,他是斯坦福大学地球、能源与环境科学学院(斯坦福地球)的地质科学教授。“水不允许你成为一种大型哺乳动物,而是你必须成为水中的一种大型哺乳动物——你没有其他选择。”

对距今700万年前海洋哺乳动物化石的分析提供了巨齿鲨钟爱的狩猎目标的详细信息。其巨大而有锯齿的牙齿留下的明显擦伤痕迹和伤口表明,它们喜欢捕食现已灭绝的侏儒抹香鲸和海豹。

水极其擅长带走你的体温,专业术语叫“比热容高”。一种物质的比热容指的是每千克该物质上升1摄氏度所需要的热量。想象一下,平底锅点上火,锅里放着水或者橄榄油。油会很快烧热,但水要过一阵才热(每个做过煎鸡蛋和水波蛋的人都知道)。橄榄油的比热容是1.97,而水的为4.19。所以烧水大概要用加热橄榄油两倍的热量。

变大,但不要太大。

“巨齿鲨最后的消失可能因为若干中小型须鲸的衰落,它们被现代大须鲸替代。”意大利比萨大学古生物学家Alberto
Collareta说。

这意味着海水可以从中漂浮的动物身上吸走大量热量,而不怎么改变自身温度。如果你周围的水很快变暖,你就会被一薄层的温水包裹而不会那么快地丢失热量。但现实并非如此,你的身体只会在水里持续变冷。

虽然生活在水里的哺乳动物有着类似的长圆形的身体形状,但它们并不是紧密相关的。相反,海豹和海狮与狗有着密切的关系,海牛与大象有着共同的祖先,而鲸鱼和海豚则与河马和其他有蹄哺乳动物有关。

研究人员认为冷却的气候使海水被封锁在极地冰盖和冰川,导致海平面下降,并引发小须鲸生活的海滨环境迅速变化。这导致小须鲸数量锐减,而在开阔海域生活的大须鲸数量增加,然而它们对于巨齿鲨来说体型过于庞大。

所以简单来说,一只哺乳动物必须要长出庞大的体型才不至于把所有热量散失在水中。很多海洋哺乳动物演化出了表皮下的脂肪层来防止热量流失。但这篇研究指出,海洋哺乳动物也变得更大了。根据他们的估算,水中体型的最小值比陆地的最小值大三个数量级。

为了更好地了解这些陆地哺乳动物在变成水生动物时的特征,研究人员从现有的数据中收集了3,859个生物和2,999个化石哺乳动物的身体质量。分析包括大约70%的活种和25%的灭绝物种。他们通过与路易斯安那大学海洋协会的Craig
McClain合作开发的一套模型分析了这些数据。

气候变化还使极地海洋生物数量猛增,这有助于促进今天的大型座头鲸和蓝鲸等大型鲸的进化,这些鲸能够长距离迁徙去那里进食。而巨齿鲨可能习惯了更温暖的海滨栖息地,不能跟着大须鲸到达更冷的水域。

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从这个分析中,该研究小组发现,一旦陆地动物进入水中,它们就会迅速进化成新的大小,大约在1000磅左右。体型较小的祖先,比如狗的亲戚,其体型的大小要比像河马这样的大的祖先大得多,从而达到最优的体重。这表明,体型越大,越有利于水生生物,但只会达到一定的程度。该组织指出,水獭最近才开始吸水,但它们并没有遵循这一趋势,也许是因为许多水獭物种仍然生活在陆地上。

Collareta和同事检查了秘鲁皮斯科化石床的化石上残留的伤口。他们发现在那些由巨齿鲨牙齿留下的标记中,有已灭绝小型须鲸和早期海豹物种残留的下颌骨。这两种动物的最大体长均小于5米,不足巨齿鲨体长的1/3。

小型的陆生哺乳动物们。图片来源:mammals-locomotion.com/preface.html

“关键是要有一棵进化树来理解这些物种是如何相互联系的,以及在不同的进化分支事件之间发生的时间长短,”该研究的主要作者威尔·吉尔蒂(Will
Gearty)说,他是斯坦福地球大学的一名研究生。“祖先关系之树使我们能够建立基于现代物种数据的模型,来预测祖先的身体大小,并观察进化轨迹最适合我们今天所看到的东西。”

500千克大到足以保暖,但又不至于太大到需要摄取巨量食物来维持新陈代谢。就算是那些食谱近似于海豚和海豹的大鲸——也就是吃大鱼和其他海洋生物的那些——这一条也是成立的。你必须耗费很多精力来搜寻食物,没准还找不到多少,所以在水里长成庞然大物有风险的。如果不发展出新的进食策略,抹香鲸似乎是能够达到的最大体型(雄性平均长16米,重达41吨;雌性平均长11米,重达14吨)。

热量和食物

须鲸就改变了进食方法。当它们从有牙齿转变为有鲸须时,才得以演化出巨大的身形。那些大型过滤网似的东西使须鲸们能在吸进海洋生物的同时排出海水,只留下磷虾和小鱼吞进肚子。这是个高效得多的进食方式,因为猎食过程简直太轻松。这就让须鲸们能够比有牙的兄弟们长得更大。

该研究小组认为,体型较大有助于水生哺乳动物在低于体温的水中保持热量。佩恩说:“当你很小的时候,你很快就会把热量丢回水中,没有办法吃到足够的食物。”

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它们还表明,新陈代谢的增加比动物收集食物的能力更大,这就限制了大型水生哺乳动物的生长。基本上,动物是需要能量运转的机器。这项研究的合著者麦克莱恩说:“对能源的需求对动物能做什么以及它们能有多大有很大的限制。”

人与鲸目动物:须鲸尾巴在左,齿鲸尾巴在右,右上角为抹香鲸。图片来源:whalesofthewworld.blogspot.hk/

佩恩说:“海洋中哺乳动物的生存能力范围实际上比陆地上的生存空间要小。”“从统计学的角度来证明这一点,并提供一种理论,这是新事物。”

水獭就是个谜了。它们仅有45公斤重——比它在陆地上的对应生物鼩鼱要大,但远远比不上海豹。研究者不确定为什么会这样,虽然他们怀疑这可能是因为水獭不是完全的水生动物。它们生活在河岸和沿海地带,大量时间是在陆地上,即使它们是游泳高手并且也在海中长期生活。脚踩两个阵营可能让水獭们最终有了介于两者之间的体型。

如果水獭是小型的例外,须鲸在较大的尺寸上证明了例外。这些鲸鱼消耗的能量比它们牙齿上的同类要少得多,因为它们过滤了所有的食物,这使它们更有效率,并使它们比齿鲸长得更大。

过去流传甚广的观点是,钻进海洋的动物们只是不再被可恶的重力与有限的空间所约束才变大的。如果这些动物的体型是整体增大的结果,我们应当会看到水中与陆上有着同等多样化的体重。但我们没看到。我们看到趋同,而不仅是增大,这说明关于浮力与栖息地大小的旧理论——至少是——比我们原先以为的重要性更小。

Gearty说:“抹香鲸看起来是最大的,没有新的适应能力。”“唯一能让鲸鱼变大的方法就是彻底改变你的进食方式。”

所有这些也许看起来有点无关紧要或是显而易见,但是,让我们不要忘记有时科学的目的是去解释看起来无关紧要或是显而易见的事情。我们只有通过观察或测试才能发现、确定现象,否则,我们只是在跟随直觉走。类似的研究帮助我们更好地了解生命为什么这样或为什么不这样。这些知识可能在某一天将连本带利地转化为仿生设计,比如宇宙飞船、潜水服或者潜水艇。或者,是为了知识本身。不管哪种都很好。

研究人员在2014年开始研究这项研究,他们目前正在评估类似的方法可以用来解释其他动物群体的体型分布,特别是那些既有陆地又有水生物种的群体。

题图来源:Wikimedia Commons

佩恩说:“希望有更简单的解释,可以适用于其他物种,包括陆生动物。”“它揭示了一些可能性,身体的大小可以用物理和化学的基本原理来解释。”

佩恩也是斯坦福大学生物x的成员,也是斯坦福大学环境研究所的会员。

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