用嗡嗡响的鼻子看大海

用嗡嗡响的鼻子看大海

演化生物学家的工作充满了乐趣与挑战,他们需要阐释自然的历史演变,无论其中看起来有多么不可思议。以下便是鲸类演化过程中最不可思议的一个故事。

由于光线在水中的折射和吸收,动物对视觉在水下的运用并不如在陆地上那么自如。另一方面,声音在水下的传播速度却比在空气中快了四倍。海豚、白鲸以及其他齿鲸(如虎鲸和抹香鲸等)就利用了这一特点,演化出了回声定位的技能。

制造回声的过程十分复杂。作为哺乳动物,齿鲸需要将空气吸入肺中。其他哺乳动物通过嘴巴和鼻子来进行呼吸,而鼻子一般就在嘴巴正上方。对齿鲸而言,它们的鼻腔位于眼睛上方,在头顶部形成一个呼吸孔。浮到水面的时候,呼吸孔打开进行呼吸;而在水下,齿鲸会利用鼻腔中的空气使周围的肌肉发生振动。在呼吸孔关闭的同时,它们会将空气推入到头部的一系列腔室内储存,并重复利用。

接下来,这些振动在齿鲸头部奇特的解剖结构引导下,产生出奇妙的效果。在发生振动的肌肉后方,头骨有个隆起,阻挡了声音向后传播;而在肌肉的前方,是一个巨大的脂肪组织,称为额隆(melon),正好位于巨大的支架形上颌之上。当振动经过额隆的时候,会产生聚焦的效果。在齿鲸的上颌两边以及周围的骨骼上,还有大量的肌肉组织,可以灵活控制额隆的形状,从而朝不同的方向发出声音。

 

海豚头部进行回声定位的示意图

 

当声波遇到前面的物体时,其中一部分会向后传回到齿鲸头部。声波振动通过下颌传至齿鲸耳中。在齿鲸下颌的两侧,各有一块长圆柱形的脂肪组织,能起到加强听力的作用。在对圈养海豚的研究中,科学家发现海豚仅依靠回声就可以识别出不同的形状,它们甚至可以用声波感知物体的质地。

那么,海豚以及其他种类的齿鲸是怎么发展出这一技能的呢?通过化石和DNA证据,科学家大致了解到它们如何从陆地动物演化而来的过程。下图的演化树便结合了鲸类及其现生和已灭绝的亲戚。

 

鲸类演化树

 

鲸类从陆地哺乳动物演化而来,与河马具有较近的共同祖先。从大约5000万年开始,它们逐渐失去了四肢,演化出更适合游泳的身体形态。鲸类祖先演化出了许多旁支,在兴盛了一段时间之后都最终灭绝。现生的所有鲸类源自在大约4000万年前分开的两个支系,分别称为须鲸和齿鲸。

我们可以在鲸鱼后半部找到它们从陆地到海洋的演化证据:后腿变成了鳍肢,一根小尾巴变成了水平尾片。是不是很奇妙?不过,大部分最为关键的适应演化出现在鲸的身体前端。鲸类的头部承担着感知水下世界,并获取食物的任务。早期鲸类具有较长的、长满牙齿的吻部,用于捕食猎物。后来,须鲸和齿鲸在此基础上选择了两条不同的演化路线。

须鲸失去了牙齿,尽管今天它们依然具有残缺不全的生成牙齿的基因。在牙齿的位置上,它们演化出了一丛丛鲸须,可以过滤出海水中的食物。古生物学家已经发现早期须鲸的化石,有望了解它们从掠食者到滤食者的转变过程。

齿鲸依然像它们的古老祖先一样,过着捕猎的生活。在这个过程中,它们演化出了非凡的回声定位技能,并一直在不断加强——头部反射感受器、重复利用空气的腔室、能发出振动的口唇、额隆等等。

描绘回声定位的演化过程是很困难的,因为这一解剖结构中的绝大部分都已经腐烂消失。换句话说,在海豚死去之后,它的额隆、口唇、肌肉及其他与发声有关的器官都会随之分解。科学家所能依赖的一切,只有齿鲸的头骨本身。所以,尽管在一个世纪以前就发现了齿鲸的化石,但其中并没有出现太多与回声定位有关的特征。科学家只能猜测,在须鲸与齿鲸分开演化之后过了多久,这些奇妙的声学器官才演化出来。

在今年的一期《自然》杂志上,纽约技术研究所骨医学院的乔纳森·盖斯勒(Jonathan Geisler)等人对一个新的齿鲸化石进行了详细描述。这块化石已有约2800万年的历史。这种古齿鲸被命名为Cotylocara macei,其头骨化石是在南卡罗来纳州的一条排水沟中发现的。它具有许多齿鲸才具有的特征,包括进行回声定位的特征。例如,在头骨的呼吸孔周围,有一圈突起的边缘,可能起到控制唇部振动的作用;在呼吸孔周围,还具有许多穴腔,与现生海豚及其他齿鲸用于重复利用空气的腔室类似;头骨的颌骨致密,可使额隆更好地接收传回的声波;头骨的上颌形成了宽阔的支架,可以附着大量肌肉,用于控制额隆。

拥有2800万年历史的Cotylocara macei化石

 

综合这些特征,乔纳森·盖斯勒等人写道,这些特征“使Cotylocara能够进行回声定位变得十分有说服力。”

Cotylocara更有意思的一点是,它与现生的海豚及其他齿鲸类的关系其实并不近。在与须鲸类祖先“分道扬镳”之后,齿鲸类的祖先也分化出了新的支系。在最早的一次分化中形成了两支,其中一支最终形成了今天我们看到的齿鲸。另一支形成了一类称为xenophorids的齿鲸,已经全部灭绝。Cotylocara正是属于后一支。

Cotylocara macei的想象图

 

在此之前,科学家已经发掘出了许多xenophorids齿鲸的化石,其中有时候能找到一些与回声定位有关的特征,如宽阔的上颌、骨中的穴腔等,但远远比不上新发现的Cotylocara化石。或许Cotylocara在回声定位的使用上与现生齿鲸不完全相同。例如,它们头骨上穴腔的位置与现在任何一种海豚都不一样。

乔纳森·盖斯勒等人偏爱的一个解释认为,回声定位具有非常复杂的演化历史,所有齿鲸——包括现生的和灭绝的——的祖先已经演化出了某种原始的回声定位技能。它们的后裔开枝散叶,形成了不同的支系,在其中至少两个支系中,演化出了更加精细的肌肉、骨骼和多种器官,可以更自如地控制声音信号的发出。尽管Cotylocara演化出了一些非常“自我”的特征,但它还是具有一些与现生齿鲸相同的特征。这类平行的演化,称为趋同演化(参见下面的示意图)。

乔纳森·盖斯勒等人已经知道如何去验证这一假说。如果他们说的没错,那早期齿鲸不仅不具备精细的发声结构,而且还必须具有能探测声波的耳结构。Cotylocara的头骨上并没有保留耳的部分,因此我们也无从知道它能否“听”到回声。不过,乔纳森·盖斯勒等人推测,如果古生物学家对其他早期齿鲸的耳结构进行仔细观察,他们应该能发现这些动物更擅于听到高频回声的证据。

可以这么说,Cotylocara不仅为一些问题提供了答案,同时也引出了更多新的问题。要搞明白回声定位这一奇妙的自然现象,还需要科学家更长期的努力。

齿鲸的回声定位演化示意图

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文章编译自

Seeing the Ocean With A Buzzing Nose