遗传不仅仅靠基因:新发现颠覆生物学经典概念

在经典遗传学中,“基因型”(个体携带并可传递给后代的一组基因)和“表型”(生物体短暂拥有的环境和经验印记,但这些特征无法传递给后代)之间有着根本区别。  在经典遗传学中,“基因型”(个体携带并可传递给后代的一组基因)和“表型”(生物体短暂拥有的环境和经验印记,但这些特征无法传递给后代)之间有着根本区别。

  

       多年来,基因能编码生物体所有可遗传特征的观点一直是遗传学和演化生物学的基本准则之一,但这一假设总是与混乱的实证研究结果不协调地共存着。近年来,随着一些重量级新发现的出现,这种不协调变得越来越明显。

  在经典遗传学中,“基因型”(个体携带并可传递给后代的一组基因)和“表型”(生物体短暂拥有的环境和经验印记,但这些特征无法传递给后代)之间有着根本区别。只有那些由基因决定的特征才被认为是可遗传给后代的——因为遗传只能够通过基因的传递实现。然而,与“基因型/表型”二分法矛盾的是,一些基因上完全一致的动物和植物显示出了可遗传的差异,并且能对自然选择做出反应。

  与经典遗传学相反的是,目前在某些复杂性状和疾病中,无法用基因来解释亲属之间的相似性,这一问题被称为“遗传性缺失”。然而,尽管个体的基因型似乎不能解释其部分特征,但有研究发现,亲本的基因在没有遗传给后代的情况下,也能影响后代的性状。此外,对植物、昆虫、啮齿动物和其他生物的研究表明,个体在一生中所处的环境和经历——饮食、温度、寄生虫、社会联系等——都能影响其后代的特征,对人类自身的研究也表明我们在这方面也非特例。这些发现中,有一些明显符合“获得性遗传”的定义——根据谷歌时代之前一个著名的比喻,这种现象就跟从北京发出的中文电报在到达伦敦时已经翻译为英文一样不可思议。然而,我们今天还可以不时在学术期刊上发现这类现象的报道,而就像互联网和即时翻译为通讯交流带来了革命性变化一样,分子生物学的发现也正在颠覆有关代际遗传的观点,比如哪些特征能遗传,哪些特征不能遗传。

  生物学家现在面临着一个巨大的挑战,即理解不断出现的新发现如何颠覆一些根深蒂固的观念。通过阅读有关这类研究的最新综述,然后再翻阅任何一本本科生物学教材的介绍性章节,每个人都可以感受到其中越来越严重的不协调。传统遗传概念中显然缺少了某些东西,它宣称遗传完全由基因介导,否认了环境和经验的某些影响传递给后代的可能性。

  如果某些非基因突变是可遗传的,那么随之而来的是,这些突变也能对自然选择做出反应,并且在没有基因变化的情况下产生跨世代的表型变化。这种变化并不符合演化上标准的遗传定义——只限于世代之间等位基因频率的变化。这一定义由演化遗传学家费奥多西·多布然斯基(Theodosius Dobzhansky)提出,抛弃了基因是可遗传突变唯一来源的假设。根据这一假设,基因是自然选择能够作用的唯一原始材料,会产生跨世代的表型变化。然而,回想一下,达尔文对基因突变和非基因突变之间的区别并不了解。他最深刻的洞见是,应用于种群内部可遗传突变的自然选择可以在不同世代中使生物体的平均特征发生改变,因为这些可遗传特征总是与大量存活的后代有关,将在每一世代中表现在更大比例的个体上。将非基因机制并入遗传性并不需要对这一基础的达尔文理论做任何改变。

  非基因效应

一些母体和父体效应似乎是作为帮助后代在最可能遇到的环境中取得优势的手段演化出来的。 一些母体和父体效应似乎是作为帮助后代在最可能遇到的环境中取得优势的手段演化出来的。 
 

  一类非基因效应(如母体效应)非常明显,几十年来已经在科学上得到了承认。根据定义,母体效应表现为母体的表型会影响后代的表型,而这一效应无法用母体等位基因的传递来解释。这类效应可以通过母体对其后代的多种影响途径来实现,包括隔代表观遗传、卵细胞结构的变化、子宫环境、母亲对产卵或产子的地点选择、后代将经历的环境改变,以及产后生理和行为的相互作用等。一些母体效应是母亲特征对后代发育产生的消极后果,包括母体中毒、疾病或衰老等产生的有害影响;另一些母体效应则代表着生殖投资策略,能增强繁殖成功率。也就是说,这些非基因效应有时能增强,有时也能减弱母亲及其后代的适应能力。

  直到最近,母体效应还被认为只不过是一种干扰,即遗传研究中的某种环境“误差”来源。但至少,遗传学家确信在大多数物种(包括重要的实验室“模型生物”,如果蝇和小鼠等)中,父亲只能将等位基因传递给它们的后代。然而,近期的研究揭示了许多父体效应的例子,包括小鼠、果蝇和许多其他物种。事实上,在有性生殖的物种中,父体效应可能与母体效应一样普遍。

  后代可能受到环境和经验、年龄,以及父母双方基因型的影响。环境因素(如某种毒素或营养物)可能会导致亲代身体发生改变,从而影响后代的发育。正如我们所看到的,身体机能随年龄增长而退化也会影响生殖功能,以及可遗传的非基因因素,从而影响后代的发育。

  亲本中某种基因的表达影响后代表型的现象被称为“间接遗传效应”。或许与直觉相反的是,这类效应可以很好地放到非基因遗传的范畴内,因为它们是由非基因因素的传递介导的。例如,在亲本中表达的特定基因可能会影响它们对后代的行为,或者改变种系中其他基因的表观遗传特征,从而影响后代的发育,即使后代并没有遗传该基因。

  对小鼠的研究提供了一个间接遗传效应的显著例子。薇姬·纳尔逊(Vicki Nelson)及其同事通过不同的近交系小鼠品系培育出了除Y染色体外在基因上十分相似的雄性小鼠,接着他们提出了一个非常奇怪的问题:雄性的Y染色体是否会影响其雌性后代的表型?任何在高中生物学课堂中保持清醒的人都知道,女儿不会继承父亲的Y染色体。因此,按照经典遗传学的逻辑,父体Y染色体上的基因不会影响其雌性后代。然而,纳尔逊和同事们发现,父体的Y染色体确实会影响雌性后代的多种生理和行为特征。事实上,父体Y染色体对雌性后代的影响程度可以和父体常染色体或X染色体的影响相当,后两者都是雌性后代能继承的。尽管我们还不知道其中的机制,但Y染色体上的基因肯定能以某种方式改变精子的细胞质、精子的表观基因组或精液的组成,使Y染色体上的基因能影响没有遗传这些基因的后代的发育。

  一些母体和父体效应似乎是作为帮助后代在最可能遇到的环境中取得优势的手段演化出来的。这种“预见性”父母效应的例子中,最典型的是当亲本受到掠食者威胁时能诱导后代的防御,水蚤就是如此。水蚤是一类微小的淡水甲壳动物,用一对较长的附肢作为桨,在水中缓慢地移动。它们很容易被掠食性昆虫、其他甲壳动物和鱼类捕食。当发现来自掠食者的化学信号时,一些水蚤物种的反应是从头部和尾部长出棘刺,使自己变得更难被捕捉或吞食。曾暴露于掠食者压力下的水蚤所产生的后代,即使在没有掠食者信号的情况下,也会长出棘刺,并且可能经历生长速率和生活史的改变,进一步降低被捕食的可能性。许多植物中也会出现这种跨世代诱导的防御措施;当受到植食动物(比如毛毛虫)的攻击时,植物所产生的种子能分泌出气味难闻的防御性化学物质(或者能对植食动物更快地启动这类防御措施),而且这种诱导防御能够持续好几个世代。

  尽管目前尚不清楚水蚤母体如何诱导后代的棘刺发育,但一些明显具有适应性的母体和父体效应例子都涉及到将特定的化合物传递给后代。举例来说,美丽灯蛾(学名:Utetheisa ornatrix )能通过食用豆科植物来获得吡咯里西啶生物碱。雌蛾会受到这种化学物质含量丰富的雄蛾吸引,而这些雄蛾能将部分毒素储存在精液中,作为“结婚礼物”注入雌蛾体内。雌蛾将这些生物碱整合到虫卵中,使其后代变得对掠食者来说不大“可口”。

  父母还能帮助后代为可能面临的社交环境和生活方式做好准备,比如沙漠蝗虫(学名:Schistocerca gregaria)。这种昆虫能够在两种截然不同的表型变种之间转换:灰绿色的“孤独”变种和黄黑色的“合群”变种。合群变种具有生殖力较低、寿命较短和脑部较大等特征,而且有聚集形成庞大迁移群体的趋势,能够吃尽大片区域的植被。在遇到密集的蝗虫群体时,蝗虫的行为方式可以从孤独迅速转变为合群,而且雌性蝗虫所经历的种群密度也会决定它们后代的变种类型。然而,有趣的是,整套表型的改变会在几个世代中积累,表明母体效应是累积性的。这种效应似乎是由传递给后代的物质(通过卵细胞质和/或包裹在卵细胞上的附属腺体产物)介导的,而生殖系谱中的表观修饰也可能发挥着某种作用。

  不过,父母的经历并不一定会使子女表现得更好。首先,父母可能会误判环境线索,而环境也可能变化太快,意味着父母有时会根据错误的情况调整后代的特征。例如,如果水蚤的母亲诱导了后代发育出棘刺,但掠食者一直没有出现,那后代就要一直背负着棘刺,无法从这一特征中获得好处。在这种情况下,预期的父母效应实际可能会伤害后代。一般而言,后代面临一个复杂的问题,即如何把父母接收到的环境线索和自己直接从环境中接收到的线索整合起来,它们最佳的发育策略将取决于那些更有用和更可靠的线索。

  虽然亲本的预期效应可能会误伤,但总体而言,这些效应还是会受到自然选择的青睐。不过也有许多亲本效应根本就不具有适应优势。压力不仅对体验到压力的个体有害,而且对它们的后代也会产生有害影响。例如,美国伊利诺伊大学的凯蒂·麦吉(Katie McGhee)、艾莉森·贝尔(Alison Bell)等人的研究结果显示,暴露于模拟捕食者攻击的雌性棘背鱼科鱼类会产下学习速度缓慢的后代,它们在面对真实捕食者时无法正确应对,因此会比没有经历过模拟攻击的雌鱼所产后代更容易被吃掉。这些效应会让人联想起人类母亲在怀孕期间吸烟的可怕后果。对人类群体的相关性研究(以及在啮齿类动物中的实验性研究)显示,母体吸烟并不能帮助发育中的胎儿对呼吸道刺激做好准备,反而会改变子宫内环境,导致幼儿容易患上肺功能衰退和哮喘,此外还会降低新生儿体重,造成生理紊乱和其他问题。类似的,从酵母到人类的许多生物体中,大龄父母往往会产生体弱或寿命较短的后代。尽管通过生殖谱系传递的基因突变可能会导致这样的“亲本年龄效应”,但起主要作用的似乎是非基因遗传。因此,虽然某些类型的亲本效应代表了可以增强适应性的演化机制,但另一些亲本效应显然也会传递病症或压力。这种“非适应性”亲本效应可以和有害的基因突变相当,尽管它们与特定条件下稳定诱导的基因突变有很大差别。

  亲本效应有时能产生危害的事实表明,后代应该演化出能减轻伤害的方法,或许可以通过屏蔽从父母那里得到的特定非基因信息来实现。即使父母及其后代的健康利益十分一致,这种情况也可能发生,因为对父母及其后代而言,错误的环境线索或亲本病症的传递都是极其不利的。不过,正如达斯汀·马绍尔(Dustin Marshall)、托拜厄斯·乌勒(Tobias Uller)等研究者所指出的,父母及其后代的健康利益很少一致,因此亲本效应有时会成为父母和后代冲突的舞台。个体会选择能最大化自身利益的资源分配方式。当某一个体预期在一生中能产生不止一个后代时,它就会面临如何在多个后代中分配资源的问题。举例来说,母亲可能会通过产生更多数量的后代来最大限度地提高繁殖成功率,即使这一做法意味着对每个后代的投入都会减少。但是,由于每一个后代都可以从母亲那里获得更多资源而受益,因此这种“自私”的母性策略对后代来说代价高昂,并且可能会筛选出反制策略,使后代能从母亲那里获取更多的资源。

  事情还会进一步复杂化,母亲和父亲的利益也可能出现分歧。举例来说,大卫·黑格(David Haig)指出,父亲往往可以通过帮助它们的后代从母亲那里获取额外资源而受益,即使这些额外投资会减少母亲的健康利益。这是因为,每当雄性有机会与多个雌性一起养育后代时,每一个雌性都有机会同其他雄性交配,因此雄性的最佳策略就是自私地榨取每一个配偶的资源,为自己的后代谋福利。在非基因遗传演化中,这种亲子关系和父母对后代投入上的冲突是一个具有潜在重要性,但又很少有人探索的维度。

  饮食对适应性的影响

雄性指角蝇的差异非常明显:在同一根木头上的典型群体中,你可以同时找到2厘米长和5毫米长的个体。  雄性指角蝇的差异非常明显:在同一根木头上的典型群体中,你可以同时找到2厘米长和5毫米长的个体。
 

  在构成一个动物生存环境的无数要素中,饮食对于形成达尔文式的适应性、保持健康和其他许多特征而言尤其重要。事实上,饮食也可以对不同世代产生重大影响。科学家对指角蝇(学名:Telostylinus angusticollis)受饮食的影响进行了研究。这种蝇类主要分布于澳大利亚东海岸地区,在腐烂的木头上繁殖。雄性指角蝇的差异非常明显:在同一根木头上的典型群体中,你可以同时找到2厘米长和5毫米长的个体。不过,如果在实验室中以标准的幼虫食谱进行饲养时,所有成年雄性指角蝇都会长成十分相似的体型,这表明野生状态下的体型差异大部分是环境因素造成的,而非内在的遗传因素;换句话说,足够幸运获得充足食物的蛆虫会发育成体型较大的成体,而缺乏营养的蛆虫最终只能接受微小的体型。

  然而,这种由环境因素诱导的雄性表型变化会在世代间进行传递吗?为了找出答案,研究者用两种培养基对来自同一母体的雄性指角蝇幼虫进行培养,一种是营养丰富的培养基,另一种则是稀释之后的培养基。

  研究人员将获得的大、小两组雄性指角蝇与用相同食物培养的雌性指角蝇配对,然后测量它们的后代特征。他们发现,体型较大的雄性指角蝇会产生较大的后代,而后续的工作显示,这种非基因父体效应可能是通过精液中传递的物质介导的。然而,由于雄性指角蝇转移的精液量很小,比一些昆虫物种的雄性所产生的通常含有营养物质的精液小几个数量级,因此这种效应似乎不涉及将雄性的营养物质转移到雌性或其后代体内。

  科学家近期发现,这种效应甚至可能扩大到由其他雄性所产下的后代。安杰拉·克林(Angela Crean)按前述方法获得了大、小两组不同体型的雄性指角蝇,并用雌性与这两组雄性都进行交配。首次交配发生在雌性的卵未成熟时,而第二次交配发生在两周之后,此时卵已经成熟,并被包裹在无法渗透的硬壳中。雌性指角蝇在第二次交配后很快就产下了卵,科学家采集了这些后代并对其进行基因型分析,以确定亲子关系。由于蝇类的卵只能在成熟时受精(精子通过卵壳上的特殊开口进入卵细胞),而雌性储存精子的时间很少达到两个星期之久,因此科学家毫不意外地发现,几乎所有指角蝇后代都是源自第二次交配的雄性。有趣的是,后代的体型会受到母亲第一个交配对象在幼虫阶段的饮食影响。换句话说,如果幼虫的母亲第一次交配的对象在幼虫阶段营养充足的话,它们就会长得比较大,即使这个对象并不是它们的父亲。另一项独立进行的实验排除了雌性指角蝇会根据对第一个雄性的视觉或信息素评估结果来调整对后代投入情况的可能性。由此我们可以得出结论:来自第一只雄性精液的分子会被雌性体内未成熟的卵吸收(或者以某种方式诱导雌性改变对发育中的卵的投入),从而影响另一个雄性所育胚胎的发育。在孟德尔遗传学出现之前,这种非父隔代效应(被德国演化生物学家奥古斯特·魏斯曼称为“先父遗传”)在科学文献中被广泛讨论,但早期证据并不令人信服。近期的研究提供了第一个现代证据,表明这种效应是可能的。尽管先父遗传并不在通常的“垂直”(父母—后代)遗传概念范畴内,但它突出说明了非基因遗传违反孟德尔假设的可能性。

  有充足的证据表明,对哺乳动物来说,父母的饮食也会影响后代。20世纪上半叶时,有研究者开始进行饮食——特别是对蛋白质等关键营养物质的限制——对大鼠影响的实验性研究,目的是深入了解营养不良的健康后果。20世纪60年代,研究者好奇地发现,在怀孕期间喂食低蛋白饮食的雌性大鼠所产生的后代,以及这些后代的后代,都显得病态十足和骨瘦如柴,具有相对较小的大脑,神经元数量减少,在智力和记忆测试中表现糟糕。近年来,研究工作已经转向了解营养摄入过量或不平衡的影响,以大鼠和小鼠作为实验模型来深入了解人类肥胖症的情况。现在我们可以确定,母方和父方的饮食会对后代发育和健康情况产生多种影响,其中一些效应是通过胚胎干细胞在子宫内的表观遗传重编码来实现的。例如在大鼠中,研究显示母鼠的高脂肪饮食会减少造血干细胞的增殖,而富含甲基供体的母鼠饮食会促进胚胎神经干细胞的增殖。研究还发现,大鼠中高脂肪的父鼠饮食会导致雌性后代的胰岛素分泌减少和葡萄糖耐受力降低。人类也有存在这些效应的证据。

  回顾目前对扩展遗传的研究现状,我们会想起20世纪20年代的遗传学,或20世纪50年代的分子遗传学。我们的所知所得,只能使我们明白更多未知的存在,以及未来将面临的挑战。不过,一个已经无可置疑的结论是,在将近一个世纪里塑造了实证研究和理论研究的高尔顿式假设,已经违背了现在发现的许多情况,而这意味着生物学又将迎来令人振奋的时代。实证研究者将在很多年里忙于探索非基因遗传,观察其生态效应,并确定其在演化上导致的结果。这项工作将需要开发新工具,还需要设计巧妙的实验。理论研究者也有着同样重要的工作,包括澄清观点并做出新的预测。在实践层面上,现在医学和公共健康领域同样清楚的是,我们不需要成为“我们所获得天性的被动传递者”,因为我们的人生体验在塑造我们传递给后代的遗传“本质”中发挥着非同寻常的作用。

原文链接:http://nautil.us/issue/58/self/heredity-beyond-the-gene?utm_source=frontpage&utm_medium=mview&utm_campaign=heredity-beyond-the-gene

真菌或许能拯救世界:但也能非常可怕

美军在南太平洋的伦多瓦岛登陆美军在南太平洋的伦多瓦岛登陆

 

       帐篷正在消失,制服也是,但所有这些物品并没有立刻消失,一切都发生不知不觉间。这是第二次世界大战期间,敌人无处不在,但在美军位于所罗门群岛的营地中,任何东西都不会被清扫或偷走。

  相反的,在这些偏远的南太平洋小岛上,一切东西似乎都在瓦解——而且速度极快。似乎有一些看不见的生物正在吃掉军营里的东西,包括勤务兵身上的T恤。美国陆军很快找到了罪魁祸首,那就是里氏木霉(学名:Trichoderma reesei),一种饥饿的真菌——它们在军事上的别名“QM6a”可能更广为人知。

  尽管这种真菌一开始让美国军队损失了不少钱,但在今天,里氏木霉却得到了工业界(包括美国军队)的重视。想当初,这种能天然分解纤维素的霉菌让所罗门群岛的美军营地头疼不已,它们吃掉了美国人的棉布、木浆和纸张。现在,它们是纤维素酶的主要来源,而纤维素酶可以用于处理咖啡豆,或者将生物质转化成生物燃料。

  罗伊·哈灵(Roy Halling)是美国纽约植物园的真菌学家。作为真菌学(研究对象包括蘑菇、霉菌和酵母等)部门的负责人,哈灵的时间主要在两个地方度过:实验室和野外。在参观位于布朗克斯的植物标本室(拥有将近800万件标本)时,他向我们讲述了真菌界令人难以置信的“腐烂”能力。

  “在碳存在的地方,就有随时准备降解碳的真菌,”哈灵说道。从医院到农田,我们可以找到无数的例子,证明真菌并不是等闲之辈。比如令我们感到无比瘙痒的各种癣症,其病因可以是多达40类真菌,另外还有数十种类似的疾病也会感染人类。如果这还无法让你惊奇,请想一下香蕉,尤其是大米七香蕉,这是20世纪50年代之前在美国销售的主要香蕉品种。就在那时候,这种香蕉成为了黄叶病(又称巴拿马病)的受害者。这是一种由尖孢镰刀菌古巴专化型引起的植物病,主要感染香蕉根部。这种真菌能分泌毒素,导致香蕉出现程序性细胞死亡。黄叶病的流行迫使农民不得不改种其他香蕉品种,主要是香芽蕉。香芽蕉也由此成为世界主要种植的香蕉品种。

  不过,从上个世纪开始,我们已经越来越多地将这些丰富多样、具有孢子的生物视为朋友,而不是敌人。真菌一直在帮助我们酿造啤酒和发酵面团。到了1928年,伦敦圣玛利亚医院的亚历山大·弗莱明(Alexander Fleming)发现了青霉素,这是一种改变世界的抗生素,由普通的青霉菌制成。今天,医疗市场上有大约1600种抗生素的存在要归功于这些微小的菌丝体。还有一些研究者试图用蘑菇作为肉类、皮革和发泡胶的替代品。科学家还在尝试用真菌来治疗创伤性压力综合征患者,以及用它们来帮助蜜蜂对抗螨虫,以避免种群崩溃。

一些可以食用的蘑菇一些可以食用的蘑菇

  然而,这并不意味着真菌就会停止对碳基宇宙的侵蚀。它们仍然具有强大的腐蚀能力,能消灭任何遇到的东西。之所以现在看起来一切都好,只是因为人类更好地利用了它们的这种能力,从而为自己服务。

  丹麦生物技术公司诺维信(Novozymes)正利用从细菌和真菌中提取的酶制造对环境更友好的洗衣剂。汰渍(Tide)和七世代(Seventh Generation)等公司也不再依赖人工化学产品,转而使用天然配方,而自然界中的真菌便是这些配方的来源之一。

  “我会带着蘑菇篮去森林里,”诺维信公司的霉菌学家Mikako Sasa说道。如果她发现一种诺维信公司从未采集过的真菌,她就会带一份样品回到实验室。“这不是一个数字游戏,而是一个多样性游戏,”Mikako Sasa补充道,“我希望增加多样性,因为我们向非常多的产业出售非常多的酶和产品。”在2016年,诺维信公司产生的利润就达到22亿美元。

  诺维信公司的研究者发现,一些真菌酶能减少洗衣服所需的能量。比起实验室制造的化学物质,这些酶只需要很少的能量就能激活,从而减少清洗衣物时的总碳排放量。真菌酶在处理污渍方面也同样出色。当与水混合时,水解酶会破坏化合物的化学键。在所罗门群岛吃掉美军所有帐篷的里氏木霉就能够水解纤维素。另一些真菌则擅长破坏粘在衣服上的其他东西,比如血液、汗渍或污垢。

  科学家还在研究真菌酶及其在垃圾回收和修复土壤中的作用。2011年,有一篇关于罕见真菌小孢拟盘多毛孢(Pestalotiopsis microspora)分离物的论文引发了许多讨论。这种真菌能够降解聚氨酯(PU)——一种耐用的塑料,出现在过山车车轮、现代艺术品及其他大量物品中。许多研究显示,蘑菇能吸收毒素,包括重金属等,因此能被用于清洁受污染的土壤。

  归根结底,我们必须与无处不在的真菌达成微妙的平衡。它们当然可以帮助我们减少碳足迹,并治疗一些疾病,但是在真菌学的历史中,有一件事是非常清楚的:真菌完全可以非常可怕。

原文链接:https://www.popsci.com/mushrooms-could-save-world

人类和鲨鱼的血肉史

      鲨鱼是一类令人着迷的动物,从古至今,人们对鲨鱼的兴趣一直十分浓厚。不过,当我们向前追溯,寻找与鲨鱼有关的历史档案时,就会发现很多记录其实看起来没有多少科学性,而更多的是充满了血腥和贪欲。比如,我们会看到捕鲨用的鲨鱼枪,和被制成皮革的鲨鱼皮。

  更近的历史时期,《大白鲨》(Jaws)一书的作者向我们描述了鲨鱼作为可怕怪物的一面,这种误解令许多人对鲨鱼恐惧不已。随着技术发展,我们获得了许多在水下活动时保护自己免受鲨鱼攻击的方法,包括对鲨鱼无害的电子驱赶器,取代了鱼叉和猎枪。接下来,就让我们走进历史,回顾人类与鲨鱼的爱恨关系。

通过水下摄影了解鲨鱼(Understanding Through Underwater Photography),1917年秋通过水下摄影了解鲨鱼(Understanding Through Underwater Photography),1917年秋

  通过水下摄影了解鲨鱼

  鲨鱼身上笼罩着太多误解。在1917年一篇试图消除部分误解的文章中,它们还曾被优雅地称为“深海之狼”。当人们害怕某些东西的时候,那种恐惧有时会使他们无法看清真相,正如《美女与野兽》中发生的故事一样。就鲨鱼而言,真相依然会让人有点难以接受。例如,借助先进的水下摄影技术,我们现在知道,与当时流行的观点不同,鲨鱼在攻击时其实并不会翻身,从而能更容易地用它们“朝后的下颚”撕咬。如果你遭到攻击,这样的事实显然不会带来什么安慰。人类对鲨鱼也同样危险。这篇文章描述了一个能“大规模捕捉并杀死”鲨鱼的“聪明方法”:在船的一边装上几个旋转的轮子,每个轮子带着一个巨大的、装有诱饵的鱼钩,鱼钩与一条长长的绝缘电线相连。这篇文章中还给出了一位老太太与鲨鱼的合影,颇令人玩味。图片的说明文字写道:“奥托·耶格夫人在棕榈滩捕获的一条重达800磅(约合363公斤),长度超过12英尺(约合3.65米)的鲨鱼。它是用鱼竿和鱼线捕到的,但必须用大口径步枪将其击毙。”文章没有给出更多的背景材料。

鲨鱼皮革,1917年11月鲨鱼皮革,1917年11月

  鲨鱼皮革

  在面对鲨鱼这样富有价值的对手时,人类总是有一种自以为是的满足感。这一次,人们把战利品穿在了脚上,并用堪称“嗜血”的语言来描述鲨鱼皮:“我们现在可以高枕无忧地看着这些海中虎狼,通过降低我们的生活成本来赎清它们的罪恶。鲨鱼不再是我们难以和解的敌人。它是我们的奴仆,将为我们提供难以计数的数百万英尺的皮革。”为了把战利品变成可穿戴的皮革,新鲜的鲨鱼皮首先被放在盐水中浸泡8天,再用盐腌上3到5天,然后叠放在糖或面粉桶里。接下来是对它们进行鞣制,包括将它们浸泡在水中,用熟石灰和盐酸熟化,上油,着色,抛光,漂白,用脱脂牛奶揉搓,最后一步显然能使它们变得“非常柔软”。

巨大的鲨鱼牙齿,1937年5月巨大的鲨鱼牙齿,1937年5月

  巨大的鲨鱼牙齿

  在一张1937年的漫画中,绘画者表示巨齿鲨“可能是曾经存在过的最大生物”,其一副巨牙中间“有足够四人桥牌的空间”。由于巨齿鲨已经灭绝,因此它们永远没有机会对这样的揶揄提出抗议了。

鲨鱼——海洋中的水牛,1943年9月鲨鱼——海洋中的水牛,1943年9月

  鲨鱼——海洋中的水牛

  在战争期间,钓鲨鱼是一项获利颇丰的活动,特别是在“德国占领挪威后切断了我们的主要鱼肝油来源”。不过,这真的是我们应该关注的点吗?当研究人员发现鲨鱼肝油的维生素含量更高时,我们的这些担忧都可以放到一边。我们开始把这些鱼肝油发给飞行员,帮助他们提高夜间视力。就像古老谚语中的水牛一样,鲨鱼的其他部位也不会被浪费。鲨鱼皮被制成皮革,如前文所述;鲨鱼牙齿和脊椎骨被制成时髦的珠宝;鱼翅被制成鱼翅羹;鲨鱼肉被制成肉罐头或变成肥料;医生还会用脑垂体来制作免疫血清。当鱼肝的价格达到每磅10美元,鲨鱼尸体剩余部分也能卖钱时,许多渔民开始往海里丢下挂着鱼钩、长达300米的铁链,经常一条铁链就能捕上来6到10条鲨鱼。“它们大部分已经溺死,但偶尔会有一条虎鲨在上船时还十分有斗劲,必须用一根铁棍来制服它。”

自家组装的鲨鱼枪,1949年1月自家组装的鲨鱼枪,1949年1月

  自家组装的鲨鱼枪

  当鲨鱼不是渔民有意捕捉的猎物时,它们被困在渔网之中时会造成很大麻烦。有时候它们会摧毁渔网,把所有落网的鱼都放出来,让渔民眼睁睁看着快到手的钱又流回了海里。勤勉的渔民对鱼叉和猎枪都不大满意,于是结合了二者的有点,创造出了“鲨鱼枪”。这种枪只有在与目标直接接触的时候才会发射,因此“弹无虚发”。一个管道减速联轴器将一把12号猎枪的外壳固定在位,再装上一个带有弹簧、两头削尖的枪头,鲨鱼枪便配置完成。当与鲨鱼接触时,枪头向后退,击中猎枪外壳的撞击帽,从而发射出去直击鲨鱼的肚子或脑袋。

被镜头记录下来的人鲨之战,1950年8月被镜头记录下来的人鲨之战,1950年8月

  被镜头记录下来的人鲨之战

  约翰·芬顿(John Fenton)在一次深海潜水中对一台水下电影摄像机进行了测试,并在过程中获得了值得在银幕上呈现的珍贵画面。他遇到了一条易怒的护士鲨,觉得拍打它的脑袋应该挺好玩。这条鲨鱼转过头来咬他的手臂,幸运的是只咬到衣袖,而芬顿也做出了反击,用一把刀子杀死了鲨鱼。好消息是,这台摄像机工作正常,并记录下了整个过程。

被鲨鱼咬到的概率,1958年7月被鲨鱼咬到的概率,1958年7月

  鲨鱼咬人的概率

  让我们来解答一下所有人心中的那个疑问:鲨鱼会攻击人吗?问题的答案或许不太讨人喜欢,没错,它们确实会攻击人。当然,伴随这个答案而来的是很多的注意事项。哈佛大学的比尔·施罗德(Bill Schroeder)的研究破除了许多人,包括一些轻装潜水者一直持有的观点,即鲨鱼本身对人类毫无威胁。“当然,我不是说所有为公众熟知的鲨鱼都会攻击人,”施罗德博士说,“大部分物种不会。甚至不是所有被公众认为是食人鲨的种类都被科学家视为危险物种。但是,我们总是会见到一些反面角色。”在这些反面角色中,最为令人忌惮的便是大白鲨。在澳大利亚悉尼附近的海滩,大白鲨的出现已经让那里成为世界上最危险的地方之一。除了人类,一些奇怪的东西也会被大白鲨吃进肚里,包括海狮、马肉甚至一整只脖子上还戴着项圈的纽芬兰犬。虽然有着这些警告性的文字,但在一篇文章中,作者还是向读者保证,他们“在任何美国海滩上被鲨鱼咬到的机会是非常非常低的”。

《大白鲨》一书的作者不再认为鲨鱼是邪恶的,1995年3月《大白鲨》一书的作者不再认为鲨鱼是邪恶的,1995年3月

  《大白鲨》作者的观念改变

  使鲨鱼成为人类最大的恐惧来源之一的罪魁祸首,或许就是《大白鲨》一书的作者彼得·本奇利(Peter Benchley)。由这本书改编而来的电影,以及那首令人心跳加速的歌曲,都将永远与大白鲨的攻击联系在一起。但事实上,本奇利已经不再认为鲨鱼是如此邪恶的动物了。在《大白鲨》出版几年之后,他在巴哈马潜水时遇到了一条大白鲨。二者相遇时有一方被吓得不轻,但不是本奇利,他说:“那条鲨鱼也呆住了,然后,突然,疯狂地,不可思议地,那条鲨鱼转过身去,排空了肠子,消失在一大片恶心的棕色云雾中。”虽然本奇利声称自己为写书而做的研究反映的是时代的认知,但是在20世纪90年代时,我们已经知道已知368种鲨鱼中,只有10到12种会与人类发生冲突,而且它们的攻击往往是意外——从水下看冲浪板上的人确实很像一只海狮。此外,多年来的把大白鲨描述成人类敌人的做法(包括这篇文章中提到的许多例子),最终使数以百万计的鲨鱼死于非命。“每次鲨鱼攻击人类的记录,都对应着超过400万条鲨鱼被人类毁灭。”

驱赶鲨鱼的装置,1997年6月驱赶鲨鱼的装置,1997年6月

  驱赶鲨鱼的装置

  随着技术发展和人性的进步,我们开始意识到或许有更好的阻止鲨鱼攻击的方法,而不是杀死数百万条鲨鱼。穿上POD(防护海洋装置)吧。由镍镉电池供电的两个电子发射器连接到潜水员的气瓶和脚蹼上。开关按钮绑在潜水员的胸口或腕部,一个LED灯用来指示电源开启或电池电量过低的情况。装置启动时,电子发射器“在潜水者周围向各个方向产生一个延伸12到20英尺(约合3.6米到6米)的低压电场,并借助咸水的天然导电性”。我们不知道电场能使鲨鱼难受到转身离去的确切原因,但科学家认为,关键可能在于鲨鱼吻部用来探测低压电信号的微孔,它们能探测到鱼类的心跳,帮助鲨鱼进行捕猎。

特洛伊鲨鱼,2005年6月特洛伊鲨鱼,2005年6月

  特洛伊鲨鱼

  法宾·库斯托(Fabien Cousteau)是著名探险家雅克·库斯托的孙子。在拍摄一部关于鲨鱼认知能力的纪录片过程中,为了捕捉到“更纯粹的行为”,他在一个机器大白鲨内部待了100多个小时。“我希望它们会这么想‘嘿,那看起来就像是一个从澳大利亚来的傻瓜表亲!’”库斯托说道。这一方法似乎挺有效的。利用这台鲨鱼形状的潜水艇——被机智地称为“特洛伊”(Troy)——库斯托成为了第一个拍摄到一条雌性鲨鱼攻击另一条雌性鲨鱼画面的人。

原文:https://www.popsci.com/science/article/2012-08/archive-gallery-man-v-shark

有毒哺乳动物沟齿鼩:像毒蛇一样猎杀小动物

在大多数人的印象中,哺乳动物的典型形象是长着保持身体温暖的皮毛,用乳汁哺育后代,以及拥有体积相对较大的大脑。只有极少的哺乳动物会像芋螺或毒蛇一样,具有能使猎物一击致命的毒液。在为数不多具有毒腺并能够释放强效毒素的哺乳动物中,沟齿鼩显得尤为神秘。更奇特的是,这种类似鼩鼱的动物鼻子里长有一个类似人体髋部的球窝状关节,使它们的鼻子极为灵活。此外,雌性沟齿鼩的乳头位置有些奇葩……让我们到后面再说。

在分类学上,沟齿鼩属于鼩形目沟齿鼩科沟齿鼩属,现生有两个物种:古巴沟齿鼩(学名:Solenodon cubanus)和海地沟齿鼩(学名:Solenodon paradoxus),分别生活在古巴和伊斯帕尼奥拉岛(加勒比海地区的第二大岛,东西两侧分别为多米尼加和海地)上。

如果你走入古巴或伊斯帕尼奥拉岛的森林,请先尝试深呼吸一下。空气中可能会有点山羊的味道:类似麝香,混杂着泥土气息,可能有点像湿透的狗发出的气味,绝对会让你感到刺鼻。这种气味来自沟齿鼩腋部的腺体。接下来,请看看你的脚下。你可能会在泥土中找到一些奇怪的圆锥形洞穴,洞口边缘有不少抓痕。

此时你已经距离沟齿鼩不远了。它们通常在夜间捕食,用高度灵活的长鼻子伸到土壤中,在植物根系周围寻找无脊椎动物,比如蚯蚓和昆虫。它们长有许多敏感的胡须,能帮助感觉土壤里的一切,对于视力并不算太好的沟齿鼩来说,这一点非常重要。

生态学家乔·努涅斯米诺(Joe Nunez-Mino)说:“它们长着非常小的眼睛,视力似乎不是特别好,不过对光线十分敏感。”努涅斯米诺养了几只沟齿鼩,每当开灯的时候,它们就疯了一样乱窜。很显然,这是一种在夜间活跃的动物。

你需要足够幸运才能在野外环境中遇到沟齿鼩。这是一种非同寻常的哺乳动物。它们的外形就像一只大老鼠,又有点像粗壮的鼩鼱。它们的身长能达到2832厘米(从鼻子到臀部),尾巴长度可达1826厘米,重量在0.71.0千克之间。它们的指甲长而尖,行走时会呈现摆动不定的步态。哺育幼崽的雌性沟齿鼩尤为奇特。它们的乳头有点像是长在后腿的“胳肢窝”里——靠近尾部,几乎就在屁股上——有时候还会拖着幼崽到处跑。

虽然形态特征略显奇葩,但如果你有幸遇到沟齿鼩的话,请千万不要尝试触摸它们。不仅因为沟齿鼩处境濒危,而且因为它们咬你的时候会像毒蛇一样释放毒素,这在哺乳动物中极其罕见。某些水鼩和北美短尾鼩也会用毒液捕猎,雄性鸭嘴兽的后腿上长有毒刺,不过它们只用其来打败竞争者,或者是作为防御。

沟齿鼩的唾液腺位于下颚,能分泌一种神经毒素。带有毒素的唾液能通过门齿内侧的沟注入猎物体内——这也是它们被称为“沟齿鼩”的原因。沟齿鼩要做的就是咬开猎物的皮肤——或者昆虫的外骨骼表皮——使毒液能够进入其体内发挥作用。

从极少的人类被咬报告来看,沟齿鼩的毒素似乎也很难捱。中毒症状类似毒蛇咬伤,包括局部肿胀和严重疼痛,持续时间可能长达数日。如果幸运的话,你可能只会被“干咬”,也就是受点皮外伤,但没有毒液进入。从节省能量的角度来说这很合理。毒蛇知道如何随机应变,“蛇类经常会咬一下而不注入毒液,因为使用毒液其实很浪费,除非真的有必要,”努涅斯米诺说道。

沟齿鼩的毒液能使蜥蜴等小动物丧失运动能力。在实验室中,科学家发现注入了沟齿鼩毒液的小鼠出现呼吸困难、肌肉震颤和瘫痪等症状。此外,沟齿鼩并不会满足只捕猎比自己小的动物。“有报告称,一只圈养在伦敦的沟齿鼩吃掉了一整只鸡,”巴西南里奥格兰德联邦大学的分子生物学家罗德里戈·利加波尔·布朗(Rodrigo Ligabue Braun)说,“它咬了一只鸡,然后把想吃的所有部分都吃掉了。”

或许我们可以从同样具有毒液的某些鼩鼱来推测沟齿鼩的行为。在杀死猎物之后,沟齿鼩可能也不会立刻就把猎物吃掉。鼩鼱经常在咬伤猎物并使其无法动弹之后,把猎物拖到洞穴中;它们会过一会再回来吃掉这些还昏迷不醒的小动物。沟齿鼩可能也有同样的行为方式。

那么,为什么沟齿鼩会在哺乳动物中独树一帜,演化出攻击性的毒液呢?事实上,问题可能不在于沟齿鼩如何演化出毒液,而在于其他哺乳动物为什么会失去这项技能。

如今的地球上,哺乳动物可谓是最出风头的动物类群,然而在几千万年前,弱小的哺乳动物只能东躲西藏,活在恐龙的阴影之下。许多古老的哺乳动物可能都具有毒液,用来抵御掠食者。恐龙的灭绝使地球生命的格局发生了剧烈变化。“从演化的角度看,”布朗说,“在一个猎物和掠食者跟以前很不一样的环境里,你需要耗费过多的资源才能制造出毒液。”因此,哺乳动物在演化中逐渐抛弃毒液也就情有可原了。

无论是出于何种原因,沟齿鼩依然保留着这种独特的武器。其实,沟齿鼩本来就是相当古老的哺乳动物,大约在7600万年前分化出来——不久之后(演化史的角度)恐龙就因为小行星撞击地球而遭遇灭绝厄运。不过,布朗指出,关于哺乳动物毒液演化的话题依然存在许多争论。早期哺乳动物或许也很少具有毒液,而沟齿鼩可能一直都是一个异类。

虽然毒液能给沟齿鼩带来食物并抵御自然天敌,却无法对抗来自人类的压力。古巴和伊斯帕尼奥拉岛上的栖息地破坏使沟齿鼩的处境变得越来越艰难。人类带来的入侵物种对沟齿鼩的伤害不啻于一场大屠杀。殖民地时代,有人将原产于亚洲的红颊獴(学名:Herpestes javanicus auropunctatus)引入加勒比海地区,用来捕猎蛇和老鼠,而沟齿鼩也成为它们的猎物。

在伊斯帕尼奥拉岛上,狗对沟齿鼩的威胁尤为严重,“尽管我们也记录或听说过狗被沟齿鼩咬伤之后,可能因为毒液而死掉的案例,”努涅斯米诺说道。另一个威胁来自野猫,它们可能不会直接捕杀沟齿鼩,但已经成为沟齿鼩的竞争对手:野猫同样以沟齿鼩赖以生存的蜥蜴和较大的昆虫作为食物。

古巴沟齿鼩一度被认为已经灭绝,直到2003年又发现了活的个体。海地沟齿鼩也曾被认为灭绝,但可能更多是因为它们神秘的习性,而非较低的种群数量。近期的研究显示,海地沟齿鼩在伊斯帕尼奥拉岛上广泛分布,但也受到栖息地退化的威胁。动物保护工作者正在努力拯救这两种神奇而古老的哺乳动物。一些非盈利机构正在与当地组织和政府部门合作,对沟齿鼩展开更加深入的研究,包括种群情况和毒液组成等。

原文:https://www.wired.com/2016/02/absurd-creature-of-the-week-the-mystery-of-solenodon-the-mammal-that-bites-like-a-snake/

关于鱼类“阴茎”:用鱼类”色情片”研究雌鱼对雄鱼偏好

在繁殖问题上,大多数鱼类都是体外受精,即雄鱼和雌鱼分别将精子和卵子排到水中,让它们自然结合。不过,剑尾鱼属(Xiphophorus)鱼类与大部分鱼类不同,它们是在体内受精,并能“生出”活的仔鱼。为了实现这一过程,雄性剑尾鱼演化出了用于授精的体外生殖器官,这在鱼类中独树一帜。许多人很自然地想到一个问题:对剑尾鱼而言,这个生殖器官是否越大越好?一项新研究显示,雌性剑尾鱼对雄鱼的青睐程度与其生殖器的大小并没有必然联系。没错,大小固然重要,但更重要的是雄鱼如何使用它——这一切都是在雌鱼足够健康,能做出“明智”判断的前提下。

  要澄清一点的是,雄性剑尾鱼的生殖器官其实与人类的截然不同,它其实是肛门附近高度特化的臀鳍的一部分,呈细长的折叠状,末端具有钩子和奇特的小片。这样的器官被称为“生殖足”(gonopodium),尽管从演化的角度上,生殖足在本质上与哺乳动物的阴茎完全不同,但功能是一样的,都是将精子送入雌性的体内,使卵子受精。因此,生殖足可以说就是鱼类的阴茎。不同剑尾鱼属物种的生殖足长度有很大差异,同一物种的雄性个体之间也各不相同。这为科学家研究剑尾鱼属雌鱼对雄鱼的选择是否会影响生殖足大小的问题提供了机会。

  剑尾鱼属鱼类原产于中美洲的水道中,它们的名称来源于雄鱼尾鳍具有特别长的剑状延伸突——称为“尾剑”。在一些剑尾鱼物种中,所有雄鱼都是“求爱型”,会利用尾剑和炫耀性的动作说服雌鱼进行交配;而在另一些剑尾鱼物种中,一部分雄鱼是求爱型,其他雄鱼则是“偷袭型”,即体型较小的雄鱼会跳过繁琐的求偶步骤,转而采取所谓的“替代生殖策略”。由于求偶的方法是直接由父代传递给子代,因此会求爱的雄鱼总是产下会求爱的仔鱼,而专事偷袭的雄鱼后代也是偷袭型。

  对于剑尾鱼属雄鱼在生殖足长度和求偶方式之间的联系,墨西哥韦拉克鲁斯生态学研究所的科学家对剑尾鱼属雌鱼如何在混乱无序的生殖足,以及花里胡哨的求偶表演中判断并选择青睐的对象进行了研究。通过观察雌鱼对不同长度生殖足,以及对不同雄鱼交配行为的反应,科学家确定了影响雌鱼选择的重要因素,以及这些因素对应的环境条件。

雄性和雌性剑尾鱼雄性和雌性剑尾鱼

  在发表于《英国皇家学会会刊B辑》(Proceedings B of the Royal Society)的论文中,研究人员阐述了剑尾鱼属雌鱼在评估追求者的生殖足和华丽尾鳍时,可能演化出了一种小心翼翼的策略,兼顾了在危险栖息地中的生存和风险。

  研究团队从墨西哥野外采集了两种剑尾鱼,分别是剑尾鱼(学名:Xiphophorus hellerii)和多线剑尾鱼(学名:Xiphophorus multilineatus),前者的雄鱼均为求爱型,后者则具有求爱型和偷袭型。对于这两个物种(以及两种雄鱼求偶策略),研究人员都分别拍摄了雄鱼与雌鱼互动和求爱的视频。利用Photoshop软件,研究人员对这些短视频逐帧进行处理,把画面中的雌鱼完全去掉,然后把雄鱼的生殖足长度拉长或缩短30%,以代表生殖足的长度范围。如此这般,就有了6段视频:每个物种按生殖足长度分为三类。接下来,研究人员向雌鱼播放了这些视频片段,观察它们如何选择不同生殖足长度的雄鱼。研究人员主要根据雌鱼靠近视频中雄鱼的速度,以及它们在屏幕前停留的时间作为评判指标。

  换句话说,科学家在本研究中其实所做的,其实就是拍摄、编辑和放映“剑尾鱼色情片”,然后观察雌鱼看到片中雄鱼时是会兴奋还是厌烦。

  在只有求爱型雄鱼的剑尾鱼中,雌鱼更青睐的是具有较小生殖足的雄鱼。同样的情况也出现在多线剑尾鱼的两类雄鱼中。然而,当研究人员把雌鱼的相对健康情况考虑进去之后,雌鱼对求爱型和偷袭型雄鱼的偏好又出现了差别。

  实验之前,研究人员测量了所有雌鱼的体密度。体密度越高,表明鱼体含有的脂肪和蛋白质就越多,也就意味着具有更加健康的“身体状态”。尽管更为柔弱的雌鱼并不太关注求偶方式(而只在意生殖足长度),但肌肉更为发达、更加健康的雌鱼则有着非常特殊的品味。总而言之,它们青睐的是生殖足较短的求爱型雄鱼,而对于偷袭型雄鱼,它们更喜欢具有较长生殖足的个体。随着雌鱼身体条件的提高,这种偏好就更加明显。

一条雄性剑尾鱼属鱼类,与研究中所用的物种是近亲一条雄性剑尾鱼属鱼类,与研究中所用的物种是近亲

  大体重雌鱼中这种偏好分别的原因,很可能根植于所有地球生命的共同追求:确保自身和后代的存活。更健康的雌鱼通常年龄更大,经验更丰富,并且更具备躲避掠食者(通常是更大、更凶猛的鱼类)威胁的能力。这使它们能承受多一点风险,并利用更好的自身条件为下一代带来好处。正常情况下,与生殖足较长的雄鱼相处其实很危险。对于求爱型雄鱼来说尤其如此,它们本身在环境中就已经非常惹眼,吸引着掠食者的注意力,而长长的生殖足可能会增大在水中的阻力,使它们更难以逃脱险境。与它们在一起时,雌鱼被掠食者吃掉的风险也大大增加。因此,对求爱型雄鱼来说,更大的生殖足其实弊大于利。相比之下,对于其貌不扬的偷袭型雄鱼,更大的生殖足可能有着更多的好处。偷袭型雄鱼与雌鱼的交配过程短暂而混乱,并且常常伴随着追逐,因此较长的生殖足可能会大为提高受精的成功率。

  考虑到生殖足长度带来的后果,以及雄鱼“固执”地将求偶方式传递给后代的特征,我们可以推测,身体健康、甘冒风险的雌鱼为了后代的安全,会变得十分挑剔。通过在生殖足长度和求偶方式之间选择最佳的组合,而不是只考虑最安全的选项,这些雌鱼或许能确保在最好的条件下孕育后代。

  这项研究揭示了动物界中社会行为、竞争和生殖系统演化之间复杂而微妙的关系,再一次表明生物学现象往往有着许多间接的原因,并经常隐藏在我们意想不到的地方。

原文:https://gizmodo.com/for-fish-penises-bigger-isnt-always-better-1821014832

有关旅鸽

羽毛组成的河流

19世纪初,博物学家亚历山大·威尔逊(Alexander Wilson)正在美国肯塔基州旅行,突然间天空一片黑暗。他后来写道,这是“一场龙卷风,正要将房屋及周围的一切摧毁。”

然而,恢复理智之后的威尔逊发现,遮挡阳光的其实是巨大的旅鸽群。

许多早期探险家的日记中都记载了相似的情节。旅鸽会以大规模的群体横扫美国东部,以栗子和橡果为食。威尔逊凝视着遮天蔽日的旅鸽,试图估算出它们的数量。旅鸽群的宽度差不多有一英里,如同一条羽毛组成的河流,流动了超过4个小时。依据这些信息,威尔逊估计这群旅鸽的成员数量超过22亿。“一个令人难以置信的庞大种群,”他写道,“而且还很可能比实际数量低得多。”

1914年,由于工业规模的狩猎,旅鸽逐渐灭绝。马克·巴罗(Mark Barrow)在《大自然的幽灵》(Nature’s Ghosts)一书中指出,人类对这一繁盛的鸟类进行的物种灭绝带来了极大的心灵震撼,使整个世界意识到了大自然的脆弱。

由于旅鸽在现代生态学建立之前就已灭绝,科学家对它们的自然生活史知之甚少。我们所能依赖的资料,主要来自像威尔逊这样的博物学者撰写的报告——内容可以简单总结为:好大的旅鸽群!——以及博物馆中保存的少量填充标本。

不过,近几十年来一些研究者提出,旅鸽的历史比我们原先想象的复杂得多。1985年,考古学家威廉·纽曼(William Neumann)指出,在美洲原住民的考古遗址中并没有发现多少旅鸽遗骨。如果这种鸟类在数千年时间里都是遮天蔽日般繁盛,那应该是美洲原住民的重要食物才对。纽曼认为,19世纪的庞大种群并不能反映旅鸽数量的长期变化。

现在,科学家正利用新的DNA方法来解决这一难题。在博物馆中保存的一些填充标本上还存留着基因分析所需的材料。来自国立台湾大学的洪志铭及其同事在PNAS上发表文章称,他们在3只旅鸽标本的趾垫上获取了DNA信息。这些标本中有两只采自明尼苏达州,一只来自宾夕法尼亚州。他们最终成功提取了每只旅鸽标本上57%到75%的基因组信息。

有了这些DNA样品,科学家就能了解许多关于旅鸽的信息,如它们的祖先在历史上的数量大小。能做到这一点,得益于每个动物个体之间存在的基因差异。即使是拿两个人DNA中的胶原蛋白基因进行对比,也会发现极细微的差别。这是因为在基因传给后代的过程中会产生突变。

在大的种群中会出现许多变异,并遗传给后代;而在小规模的种群中,出现的变异数量就少得多,它们遗传给后代的变异基因也就更少。因此,在今天某个生物种群中的遗传变异可以作为估算历史上种群变化的线索。即使在某一时期,种群内的个体数量出现大规模增长,该种群也有可能只有较少的变异——因为其祖先的数量太过稀少。

严格地说,科学家并不能通过这种方法确定古代种群的真实规模。在每一代中,只有一部分个体能够进行繁殖,我们只能研究这一部分的遗传变异。科学家称这一群体的数量为“有效种群大小”。有效种群大小可以用来粗略地估计真实的种群大小(通常而言,有效种群大小大约是真实种群大小的十分之一)。

在开始测算有效种群大小时,科学家会比较大量个体中的某个特定基因。近年来,科学家发明了一个巧妙的反向技巧:通过分析少数个体中的多种基因来估计有效种群大小。如果这些基因中有许多与其他个体不同,就表明这些个体来自历史上的某个大规模的种群;而如果这些基因十分相似,则说明种群相对较小。

这一方法中最不寻常的一点是,通过比较每个基因从共同祖先那里产生突变的时间,科学家可以追踪某个种群大小随时间的变化。如果大多数基因变异可以追溯到某个特定时期,就表明当时的种群相对较小。2011年,沃尔卡姆基金桑格学院(Wellcome Trust Sanger Institute)的李恒和理查德·德宾(Richard Durbin)利用这一方法从6个基因组中重建了人类历史。他们发现,人类种群在大约5万到2万年前出现了急剧萎缩,之后又出现了极大的增长。

现在,洪志铭及其同事利用相同的方法对旅鸽种群进行了追踪。令人意外的是,他们发现旅鸽的有效种群大小长期的平均值仅为33万只个体。要知道,科学家曾估计旅鸽在19世纪时的数量在30亿到50亿之间。换句话说,这一有效种群大小比原先预计的低了1000倍。

这种不吻合预示着,旅鸽在某些历史时期中具有规模较小的种群。洪志铭等人在重建旅鸽种群历史时,发现其经历了非常大的数量变化。在大约12万年前,旅鸽数量丰富,但在2.1万年前,它们的数量急剧缩减。末次冰期之后,旅鸽的数量又有所回升,并在大约9000年前达到另一个峰值。在那之后,它们的数量开始缓慢下降。

这一变化曲线与冰河期的生态变化历史十分吻合。在大约12万年前,气候温暖,冰川处于最低值,森林广泛覆盖着北美大陆。到了2.1万年前,大片的旅鸽栖息地被冰雪覆盖,剩余的栖息地大多无法支持橡树和栗树的生长,导致旅鸽的食物大量减少。等到冰川退去,森林重新出现,旅鸽的数量才出现回升。

不过,洪志铭及其同事认为,这些长期的气候变化只能部分解释旅鸽的有效种群大小。他们提出,鸟类就像蝗虫,当食物供应丰富的时候会数量膨胀,而当情况恶劣时则出现崩溃(在现实中,蝗虫爆发时数量可以达到1000亿,但它们的有效种群大小只有约50万)。

在研究中,洪志铭及其同事得出了与纽曼相似的结论。19世纪的博物学家看到的庞大鸟群,其实并不是前工业时代北美大陆的固定风景。相反,威尔逊很可能只是碰上了一次旅鸽爆发事件。

甚至有可能是来自欧洲的殖民者引发了这场爆发。美洲原住民通过捕猎旅鸽、采集橡果和栗子等方式,使旅鸽的数量一直保持在低位。新来的欧洲人将原住民从原来的土地上赶走,从而使旅鸽的数量突然急剧增加——殖民者种植的庄稼也可能为旅鸽提供了食物。

在采集旅鸽DNA的过程中,研究者也在寻找将其复活的可能性。理论上,科学家可以利用近缘物种——如斑尾鸽(学名:Patagioenas fasciata)——的基因组,对旅鸽的DNA和特异性的突变进行基因工程处理。加州大学圣克鲁斯分校的本·诺瓦克(Ben Novak)在这个TEDx视频中就阐述了这一可能性。

洪志铭等人的研究(以及本·诺瓦克等人正在进行的类似研究)表明,科学家或许真的有可能将旅鸽重新带回世间。尽管在某些时期旅鸽的数量出现大幅下降,但在人类开始将枪口对准它们之前,它们已经在地球上生存了数十万年。

另一方面,如果我们成功地复活旅鸽,它们的种群大小也不一定会保持稳定。如果条件合适,它们有可能膨胀到惊人的数量;而如果环境条件不利,如出现气候变化等,那它们的数量有可能再次下降。这种曾经遮天蔽日、被人形容为龙卷风的鸟类,其实也是紧密依赖于生态系统的脆弱物种。

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文章编译自

The Feathered River

洪志铭等的文章:

Drastic population fluctuations explain the rapid extinction of the passenger pigeon

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

有关枪虾

随身携带武器的枪虾:用气泡制成“子弹”进行捕猎

海洋中有一类自带“武器”的奇特动物:枪虾——这个名字真是恰如其分。枪虾科(Alpheidae)的成员有好几百种,其最明显的特征是两只不对称的螯。其中那只大得不成比例的螯是它们的致命武器,可以利用气泡作为“子弹”,击晕甚至杀死敌人或猎物。这致命一击产生的声音可以达到210分贝,比真实的枪声(平均约为150分贝)响亮得多。由于这个原因,枪虾又被称为鼓虾、嘎巴虾。

可以说,枪虾是地球上力量最足,也最为吵闹的生物之一,但它们也非常脆弱。枪虾可以和许多种动物结成联盟,甚至能组成奇特的群居形态,保护自己免受海底掠食者的威胁。

枪虾科种类最大的特征是两只螯不一样大,其中的大螯可以有力地夹上,速度之快甚至可以使周围的水瞬间加热到近4500摄氏度的高温。

 

独门绝活

枪虾具有两只螯,一大一小,其中大螯可以长到虾体一半的长度。与外形对称、如同夹子一般的小螯不同,枪虾的大螯有一部分不能移动,上面具有一个空穴;大螯另一部分具有一个可移动的、刚好能插入空穴的“活塞”。这只“巨螯”的肌肉强壮有力,当“活塞”合上的时候,从空穴中挤出来的水柱速度可达每秒32米。这一速度非常之快,可以形成比饱和蒸汽压更低的压力。在如此的低压之下,水中会产生微小的气泡,当压力重新上升的时候,气泡随之破裂。这一现象被称为空穴现象(Cavitation)。

本质上,正是气泡在破碎时发出了响亮的咔哒声,而非大螯本身撞击产生了声音。更重要的是,在气泡破裂的一瞬间,周围水体的温度可以达到惊人的近4500摄氏度的高温,几乎和太阳表面的温度一样高。由此产生的冲击波可以用来攻击猎物,如小鱼、小蟹等。对这些小动物来说,立刻死去实在是一件幸运的事。击中目标之后,枪虾会将猎物拖到洞穴中吃掉。有时候,枪虾还会用空穴效应在玄武岩礁石上钻洞。

 

一只被枪虾的气泡冲击波击中的清洁虾

 

坐拥这种强大的“气泡武器”,枪虾可一点都不低调。在它们聚集的栖息地中,枪虾经常互相“开火”,或者进行捕猎,因此在声呐设备中常常会听到类似树枝燃烧的杂音。在热带地区游泳的时候,如果你注意听,很可能就会听到周围出现这种声音。有些人认为,与其认为枪虾的这些声音是干扰声呐的杂音,不如换一个角度,认真听听水下的动静,以枪虾和其他动物的声音来评估珊瑚礁的健康状况。

与许多甲壳动物一样,枪虾在遇到攻击的时候会将螯脱落。不过,这并不会使噪音消失太久。虽然大螯的结构看起来有点复杂,但枪虾还是会重新长出来一个——以一种奇特的方式。

失去大螯的枪虾重新长出来的并不是大螯,而是一只小螯。最有趣的是,在下一次外骨骼蜕去之后,原先的小螯开始长得越来越像大螯,并最终长成同样具有强大杀伤力的大螯。换句话说,枪虾相当于把武器换到了另一只手上。

断肢再生有时候也会出现小故障。枪虾如果失去小螯,偶尔也会错误地长出大螯,从而拥有两只大螯。“双枪”听起来似乎很霸气,但事实上枪虾还需要用小螯来帮助进食。大螯好比打猎用的枪,而小螯则是吃肉用的刀叉。

一些种类的枪虾会选择居住在海绵上

 

在对一种枪虾(学名为Alpheus heterochaelis)的研究中,荷兰屯特大学的科学家用高速摄像机发现了奇特的“虾光现象”(shrimpoluminescence)。枪虾产生的气泡因为急速压缩,热力无法消散,使气泡内温度可以达到4700摄氏度以上,并产生仅持续数亿分之一秒的亮光。时间之短,人类的肉眼无法看到。这是首次发现动物利用这种方式发光。

 

社会性动物

枪虾其实是很容易相处的动物——如果你拥有它们需要的东西的话。尽管许多物种形成了一夫一妻的生活制度,但还有许多物种掌握了共生关系的精髓,与其他海洋生物结成了紧密的联盟。例如,珊瑚为枪虾提供了庇护所,反过来,枪虾会用气泡武器攻击海星的管足,赶走这些以珊瑚虫为食的棘皮动物。还有一些枪虾会在海葵的触手间寻求庇护,就像常见的小丑鱼一样。

还有一种枪虾会在沙地上挖洞,然后邀请虾虎鱼前来居住。它们常常一起在洞口徘徊,寻找猎物同时警惕掠食者。虾虎鱼可以为枪虾提供了预警。在许多情况下,枪虾至少会将一根触须放在虾虎鱼的身体上,如果虾虎鱼逃进洞穴中,枪虾也会紧随其后。另一方面,枪虾是勤勉的挖掘者,会不断挖掘洞穴,并保持清洁。

枪虾会与虾虎鱼结成合作伙伴,共同生活在一个洞穴中。

 

在所有枪虾物种的共生关系中,最不可思议的要数一些已经形成了社会化组织的物种。数百只枪虾居住在海绵内部,这种社会化组织方式被称为“真社会性”(eusociality)。这些枪虾由体型较大的“虾王”和“虾后”统治,这是唯一一对能进行繁殖的枪虾。

“在数百万的海洋物种之中,只有少数几种枪虾能够做到这一点,真是太了不起了,”史密森学会的海洋生物学家埃米特·达菲(Emmett Duffy)说,“但还有更了不起的,这些枪虾在生态学上与一些社会性昆虫(想一想蚂蚁和蜜蜂)非常相似。”埃米特·达菲是第一位描述枪虾这些社会现象的生物学家。

这些枪虾的体型非常小巧,大约只有谷粒大小。它们以任何掉落在海绵上的物质,以及海绵自身脱落的组织为食。从这一角度上,它们与白蚁最为相似,后者也是在木头里筑巢,并以木纤维为食。

这些触须使枪虾能够感知到同类的气泡冲击波。事实上,两只枪虾之间在争吵时,会保持足够的距离,这样双方都能互相“开火”,但都不会造成致命的伤害。

 

在一个群体中,体型较小的幼年个体会围绕在海绵中部的“虾后”周围。埃米特·达菲说:“我们曾观察到,体型较大的个体反应更激烈,在入侵者出现时会进行防御。”当单个枪虾遇到入侵者时,它会有节奏地发出“咔哒—咔哒—咔哒”的声音,召集同伴前来。前来助阵的枪虾还会同步发起攻击,同时发出咔哒声。

“我们推测,这是一个警告外来者的信号:你已经进入一个居住着枪虾群体的海绵,”埃米特·达菲说,“换句话说,如果你硬要闯进来,那就不是几只枪虾,而是整个群体要携起手来把你赶出去。”

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编译自

Absurd Creature of the Week: The Feisty Shrimp That Kills With Bullets Made of Bubbles

虾光现象部分摘自维基

海洋独角兽之谜

1577年,英国探险家马丁·弗罗比舍(Martin Frobisher)率领一支150人的探险队,怀揣寻找黄金的梦想来到了加拿大北部海域,试图找到一条通往印度的水道。在调查海岸附近几个岛屿的时候,探险队遇到了前所未见的东西:一种长着独角的大鱼。

“在这里的另一座小岛上,”弗罗比舍在日记中写道,“也发现了一条巨大的死鱼,它看起来似乎是被浮冰带进湾里的,在大小比例上像是鼠海豚。它的长度大约12英尺(约合3.7米),有一根长两码(约合1.8米)的角从吻部或鼻孔里伸出来。这根长角扭转而成,并保持笔直,如同蜡烛一般(译者注:西方的蜡烛常有做成长螺旋形的,与独角鲸的长牙很像),或许可以将它认为是真正的海洋独角兽。”回到英国之后,弗罗比舍将一支长角献给了伊丽莎白女王,后者命令将其与皇冠上的宝石放在一起保存。

在弗罗比舍的探险之前,独角兽的角——或者至少是商人们所声称的——已经在欧洲流传了几个世纪。它们的价值几倍于同等重量的黄金。据说伊丽莎白女王曾花费1万英镑购买一支独角兽的角,相当于当时一座城堡的造价。这些角被制成帝王喝酒用的酒杯,或者是象征王权的权杖。

独角兽的传说可以追溯到古典时代,但独角兽兽角贸易却从中世纪一直持续到了文艺复兴时期。维京人杀死了北大西洋上所谓的海洋独角兽,切下长角,然后以天价卖出,却从未透露这些角是从哪里来的。随着欧洲的博物学家对世界各地动物的了解越来越多,有关独角兽的传说逐渐褪色,弗罗比舍所说的海洋独角兽实际是一种鲸类的观点也越来越深入人心。不过,尽管这些“角”的来源搞清楚了,但科学家们对它们的困惑和争论却还在继续。

加拿大Tremblay湾的独角鲸

 

事实上,独角鲸的“角”并不是真正的角,而是一颗特化的牙齿。与独角鲸亲缘关系较近的物种包括白鲸、虎鲸和多种海豚,它们都具有简单的、圆锥形的牙齿,用于咬住猎物。在雄性独角鲸的口中,上颚的两颗牙齿中左边一颗会突出来,持续生长,形成长长的“角”;右侧的牙齿比左侧短得多,但极少数雄鲸会连右侧牙齿也突出唇外,形成罕见的“双长牙”。独角鲸的牙相当于象牙或疣猪的獠牙,但不会像后者一样出现弯曲。

德国汉堡一家博物馆里的双长牙标本

 

为什么独角鲸要长出这样的长牙呢?或者,更确切地说,在独角鲸祖先从具有普通牙齿的鲸类分化出来之时,如此奇葩的牙齿是怎么演化出来的呢?

科学家们提出了各种各样的假说,包括(但不仅限于)作为声波探测器、方向舵、碎冰锥等,有的还提出长牙可用于散发多余热量,或在与掠食者或其他独角鲸的争斗中作为武器。不过,绝大多数的假说都仅是推测,并非来自近距离的观察。独角鲸生活在遥远的北极峡湾和冰山漂浮的北冰洋中,要观察它们怎么使用长牙并不容易。

马丁·纽威亚(Martin Nweeia)是一位来自康涅狄格州的牙医,同时也是哈佛口腔医学院的临床讲师。过去十四年中,他多次前往北极研究独角鲸,主要是研究它们的长牙。过去几年中,他还做了一些关于研究进展的报告,并出版了相关的书籍。不久前,他和来自哈佛大学、史密森学会、明尼苏达大学、加拿大海洋渔业管理局等机构的研究伙伴在《解剖学记录》(Anatomical Record)发表了一篇详尽的论文,指出独角鲸的长牙其实是感觉器官,可以使雄性独角鲸感知海洋里的情况,并可能有助于寻找雌鲸或食物。

他们的结论部分来源于对长牙的解剖。独角鲸的长牙并非一块坚固的骨骼,而是包含着许多神经。而且,这些神经几乎已经可以和海水直接接触。在人类和其他哺乳动物中,牙齿表面通常是珐琅质层,而独角鲸的长牙上却没有。相反,长牙表面遍布着微细的管道,可以使海水流进长牙的内部,接触那里的神经末梢,其中一些神经末梢具有与对痛觉敏感的神经相同的结构。

为了解独角鲸是否就是利用这一结构来感知周围环境,马丁·纽威亚及其同事来到巴芬岛附近捕捉独角鲸,并将一个圆锥形的外套套在了它们的长牙上。科学家将盐度不同的水泵进外套中,并在独角鲸的皮肤上放置电极,记录它们的心跳频率。每头独角鲸参与实验的时间控制在半小时以内。

当盐水泵进长牙外套时,科学家记录到的平均心跳频率为每分钟60.42次;而当淡水流入外套时,独角鲸的心跳变慢,为每分钟52.56次。这一差别在统计上是显著的,科学家据此认为,独角鲸仅用长牙就可以感知出盐水和淡水的区别。当独角鲸游到盐度较高的水域时,它们可能会有类似牙痛的感觉。在长牙内部的神经末梢也有可能具有其他方面的感知能力,如温度、压力的变化等。

如果独角鲸的长牙实际是感觉器官,那它就不仅对雄鲸有好处。马丁·纽威亚及其同事称,雄性独角鲸可能会用长牙来帮助赢得交配权。它们或许能够通过感受水中的化学物质来追踪雌鲸,寻找雌鲸可能的觅食地点。它们甚至可能感知到雌鲸是否愿意进行交配。一些雄鲸可能还会用长牙来寻找食物,以喂养刚出生的幼崽。长牙的感觉能力越灵敏,雄鲸赢得交配的概率就越高,这也导致其演化出越来越长的牙。

许多从事鲸类解剖学研究的科学家都对马丁·纽威亚等人的结果感到眼前一亮。史密森学会海洋哺乳动物馆馆长尼克·佩尔森(Nick Pyenson)说:“他们做了很棒的工作,整理了数百年来有关独角鲸长牙的众多假说,然后提出了几乎所有已知的证据。”西奈山伊坎医学院的解剖学家乔伊·雷登伯格(Joy Reidenberg)对这一研究结果给予了高度评价,她说:“这真是让人耳目一新,文章的关注点并不在于最少被发表的部分,而是展示了对形态、功能和演化的全面了解。”

独角鲸长牙的解剖结构

 

不过,一些研究者并没有被马丁·纽威亚及其同事的数据和结论说服。最大的批评声音来自华盛顿大学的克丽丝汀·莱德雷(Kristin Laidre)。她指出,独角鲸并不是唯一具有敏感牙齿的动物,“吃冰淇淋的时候,你的牙齿会感到痛觉,牙齿里面的神经告诉大脑:你正在吃一些冷的东西。”这些感觉信息有一定的价值,但并不能因此就说我们的牙齿是感觉器官——牙齿只是让我们能咬住并磨碎食物。

马丁·纽威亚等人自然知道其他动物的牙齿也具有感觉能力,但他们认为,独角鲸的长牙比一般的牙齿更加强大。不过克丽丝汀·莱德雷认为,心跳速率的数据并不能得出文章的结论,她说:“当一只动物被大网捕到之后,带到浅水区域,然后测量它30分钟内的心跳速率,这显然只能告诉你它压力很大,而不是牙齿对不同盐浓度的反应。”

克丽丝汀·莱德雷还对纽威亚等人提出的雄性独角鲸可能利用长牙进行感知提出了异议。对独角鲸胃容物的研究表明,雄性和雌性独角鲸的食物基本是一样的,而且觅食的区域、时间也都一致。而且,养育幼鲸的任务都落在雌鲸身上,没有任何证据表明雄鲸会提供帮助。雌鲸对于幼鲸的生存至关重要,很难想象雄鲸具有如此灵敏的器官而雌鲸没有。克丽丝汀·莱德雷说,有关独角鲸长牙是关键的感觉器官一说,“仍然是一个没有根据的理论。”

因纽特男孩和独角鲸的长牙

 

克丽丝汀·莱德雷推测,雄性独角鲸可能利用长牙来争夺配偶。然而,我们经常看到驼鹿长角相抵,招潮蟹用大螯互相争斗,却几乎没有观察到独角鲸使用长牙打斗过。科学家曾观察到独角鲸在水面上长牙交错的情形,当有雌鲸在附近时,或许可以建立对某一雄性个体的好感。

蒙大拿大学的道格拉斯·恩林(Douglas Emlen)是一位研究甲虫的生物学家,而且特别钟爱独角仙。去年,他的学生艾琳·麦卡洛(Erin McCullough)和华盛顿州立大学的罗伯特·琴纳(Robert Zinna)合作发表了一篇很有意思的论文。他们对采自日本的独角仙进行了近距离观察,发现其头角的表面覆盖着对触觉非常灵敏的细毛。头角的有些区域细毛较密,有些则稀疏一些。

独角仙

 

麦卡洛和琴纳发现了这些细毛的规律。当两只雄性独角仙准备争夺某根树枝时,它们会靠近对方,互相轻敲头角。如果其中一只比另一只小很多,它便会识趣地走开;如果二者势均力敌,它们就会进入下一步,打斗起来,努力要将对方推下树枝。事实上,头角上细毛最密集的区域,恰恰是独角仙互相试探时接触的地方。

独角鲸或许正是鲸类世界中的独角仙,在它们开始真正的打斗之前,可能就是用长牙互相打量对方。不过,想要证实这一假说,可能还要等上相当长一段时间。从弗罗比舍第一眼见到那只独角鲸尸体到现在,已经过去了437年,而这种奇特而神秘的物种,依然令今天的科学家们感到困惑不已。

 

文章译自Carl Zimmer的博文。马丁·纽威亚等人的文章发表在2014年第四期的《解剖学记录》上,见:

Sensory Ability in the Narwhal Tooth Organ System, Nweeia et al, Anatomical Record2013, in press

有关电击大脑

连线上面的原文:

What Happens If You Apply Electricity to the Brain of a Corpse?

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一个人类大脑的模型

对人类尸体的大脑进行电击会发生什么?

有些事情好像已经成为人类的一种习惯,比如对大脑进行电击。在古希腊时代就有人这么干了,那时有医师用电鳗来治疗头疼和其他疾病。今天,我们延续了这种疗法。神经科学家运用电流刺激患者的大脑,来激发大脑功能,或治疗抑郁症等疾病。

外部的电流之所以会对大脑功能产生影响,是因为我们的神经细胞之间的交流便是通过电信号和化学物质完成的。如今,这一认识已经深入人心,而就在两个世纪之前,科学家对神经系统的运作还深感困惑。

艾萨克·牛顿和其他一些人认为,我们的神经之间,以及神经和肌肉之间是通过振动互相交流的。当时另一个观点认为,神经可以分泌出某种液体。还有一个源自古代的神秘观点——现在依然流行——称,大脑和神经中充满了一种神秘的“生命活力”(animal spirits)物质。

“动物电”

到了18世纪,人类对电的了解越来越多,将电力应用于治疗身体和精神疾病的疗法(即电疗法)也变得十分流行。不过,当时的科学家并不清楚人类的神经系统能自己产生电流,并利用电信号进行信息传导。

在第一批涉足神经电传导领域的科学家先驱中,最著名的当属意大利物理学家路易吉·迦伐尼(Luigi Galvani,1737~1798)。迦伐尼的大部分实验都是以青蛙的腿部和神经为材料,揭示了在自然或人工机器放电的刺激下,青蛙的肌肉会发生抽搐。他因此提出了“动物电”的概念,包括人类在内的动物,都能在体内自发地产生电流。

“我认为,已经可以充分确定在动物体内存在着一种电流……这里说的是我们惯称的‘动物’的综合概念……”他写道,“在肌肉和神经中……它表现得最为清楚。”

神经科学的惊悚历史

然而,后来的实验结果令迦伐尼十分失望,他没能通过电击大脑使面部或周边的肌肉出现反应。后来,他的外甥乔凡尼·阿尔蒂尼(Giovanni Aldini,1762~1834)进行的实验却支持了他的结论。1802年,阿尔蒂尼对一名被砍头犯人的头部进行了电击。他在犯人两只耳朵内放入金属线,连接上简陋的电池,然后轻弹开关。“一开始,我观察到面部所有的肌肉出现了强烈的收缩,表情十分扭曲,就像是最狰狞的鬼脸,”他在笔记中写道,“眼睑的反应尤为显著,尽管人头上的反应不如牛头上的强烈。”

在这一时期,有关电在人和动物神经系统中扮演的角色,还存在着激烈的科学争论。迦伐尼最著名的争论对手亚历山德多·伏打(Alessandro Volta)认为,动物体内并不能自己产生电力。在此背景下,两个不同的阵营开始借助公众关系来推广自己的观点,而这恰好是阿尔蒂尼的优势所在。在某种程度上,阿尔蒂尼就像个马戏团老板。他巡回展示着自己的“惊悚”实验。1803年,他在伦敦的皇家外科医学院进行了一次轰动性的公开演示,所用的材料是刚刚在纽盖特(伦敦西门的著名监狱)被绞死的谋杀犯托马斯·福斯特(Thomas Forster)的尸体。阿尔蒂尼将导电杆插入死者的口、耳和肛门中。

在大批围观人群中,有一个人后来写道:“在一开始对面部的刺激中,死去罪犯的下巴开始颤抖,周围肌肉的扭曲令人恐惧,还有一只眼睛睁开。接下来的演示中,他的右手举起然后紧握,大腿和小腿也有了活动。对一些不知情的围观者来说,这一切看上去仿佛是那个卑鄙的罪犯第二天就要复活了。”

在这场广为传播的实验演示之时,《弗兰肯斯坦》的作者玛丽·雪莱年仅五岁。不过,她显然在当时有关电流和人体的争论中获得了启发。事实上,在1818年她的小说出版之时,另一场戏剧性的公开演示也同期上演。苏格兰医生、学者和化学家安德鲁·尤尔(Andrew Ure)在格拉斯哥,运用电流使一具尸体出现了类似深呼吸的状态,甚至能伸出手指指向观众。

死亡是一个过程

如果身体已死,那其体内的神经为何还能对外来的电刺激产生反应?1818年,一个流行但错误的观点认为,电是生命的活力所在,通过对尸体进行电击,可以使其重新获得生命。事实上,在安德鲁·尤尔的演示中,许多观众就觉得非常困扰,以致于要赶紧离开那栋建筑物。据报道还有个人现场昏倒。现代对神经信号传导的认识已经渐渐破解了这类观点,但你依然不难想象,类似安德鲁·尤尔和阿尔蒂尼的演示如果发生在今天,相信也会造成非常令人不安的后果。关于电流如何使尸体“复活”,有个强有力的解释来自英国遗传学和生理学家弗朗西丝·阿什克罗夫特(Frances Ashcroft)的精彩著作——《生命的火花》(The Spark of Life):

“当动物(或人)进行最后一次呼吸之后,其体内的细胞并没有立即死去,这也是我们可以在个体之间进行器官移植和血液注入的原因,”她写道,“除非已经变成碎屑,否则一个多细胞生物体的死亡极少是即刻发生的事件,而是一个逐渐停止、分阶段消亡的过程。在个体死亡之后,神经和肌肉细胞会继续工作一段时间,这也使通过电流进行‘复活’成为可能。”

以今天的标准来看,阿尔蒂尼和安德鲁·尤尔的实验似乎有点令人毛骨悚然,但这些实验激发了后来的神经生物学家和相关领域的科学家,在历史上具有重要的地位。