鲸类脊柱结构新发现揭示水生环境适应机制

如果你见过海豚游泳，就会发现海豚游泳时身体是上下波动，而不是像鱼那样左右摆尾。其实，作为哺乳动物，鲸类为了适应水生环境，其身体和骨骼结构发生了深刻的变化，包括后肢变小和鳍状肢和尾鳍的进化，从而形成了流线型的身体。

尽管有这些适应性，鲸类动物仍然保留了它们陆地起源的关键特征，比如用肺呼吸以及哺乳幼崽等能力。与此同时，它们还保留了类似能让陆地哺乳动物跑得飞快的垂直运动。但是，大约5300万年前，从陆地到水的过渡是如何影响它们脊椎的构造和功能仍然是个谜团。

近日，发表于《自然通讯》的一项研究揭示了这些海洋哺乳动物的脊椎是如何随着它们的祖先适应水中生活而重组的。研究发现，与之前的假设相反，鲸类动物的脊柱高度区域化，尽管其形状沿其长度更加均匀。而且，鲸类脊柱区域化的方式与陆地哺乳动物截然不同。

研究人员指出，“鲸类动物发育出了像鱼一样的身体，这种形态变化也意味着脊柱现在是水生环境中驱动运动的主要部分。”在陆地上活动的陆生哺乳动物的脊椎必须提供支撑，以帮助腿部承受体重。当鲸类动物从陆地过渡到水中时，重力被水的浮力转移，脊椎释放了承载体重的压力。新的身体结构和在水中移动所需的动作意味着这些动物的脊柱必须以某种方式改变以适应新的环境。

在该领域以前的研究是从形态学的角度来观察脊椎骨，着眼于脊椎形态的变化，证明与两栖动物和爬行动物相比，陆生哺乳动物的脊柱有许多不同的区域。

然而鲸类动物的椎骨更加复杂，因为它们在解剖特征上变得更加均匀。因此，与陆地哺乳动物的极端过渡相比，鲸类动物从一根椎骨到另一根椎骨的转变是渐进的，这使得识别区域变得更加困难。

研究人员表示：“它们不仅有非常相似的椎骨，而且某些物种，特别是鼠海豚和海豚，比陆地哺乳动物拥有更多的椎骨，有些物种的椎骨接近100块。这使得将陆地哺乳动物中发现的区域转化为鲸鱼和海豚的鲸类动物变得非常具有挑战性。”

用于识别区域化模式的传统统计方法要求跨标本的元素数量完全相同。本研究中，研究人员采用的区域统计方法能够通过单独分析每个标本的脊骨来克服这个问题。

虽然这种方法对陆地哺乳动物有限的脊椎骨很有效，但对鲸类动物大量的脊椎骨来说，它在计算上具有挑战性。研究人员与哈佛定量社会科学研究所的数据科学服务团队合作，重新编写代码，大大节省了计算时间。

研究人员从欧洲、南非和美国的6家博物馆，收集了62种鲸类动物的139个标本的形态学数据，占到近90种现存物种的三分之二，总共测量了7500块椎骨进行分析。

庞大数据集证明，鲸类脊椎的组织不仅与陆地哺乳动物不同，而且鲸类的模式也各不相同。研究人员根据物种确定了6到9个区域，然后从那里开始寻找不同区域的共同点，并确定了所有鲸类动物的共同模式。

该团队提出的假设引入了脊椎的层次结构，首先确定了前尾节和尾节。然后，这两个节段又被分成所有鲸类动物共有的几个模块:颈椎、前胸椎、胸腰椎、后腰椎、尾椎、足柄和尾鳍。接下来，根据物种的不同，每个模块进一步细分为一到四个区域。

研究人员说：“令人惊讶的是，与陆地哺乳动物相比，鲸类动物前尾节的区域更少，而尾部区域较多。”陆生哺乳动物用尾巴来实现各种不同的功能，但通常不像鲸目动物那样用来产生推进力。鲸类动物尾巴上有更多的区域可能允许尾巴上非常特定的区域运动。”

“根据之前的观察研究，我们知道鲸鱼、海豚和鼠海豚的游泳方式并不完全相同，”研究小组探索了脊椎区域与栖息地和游泳速度的关系。他们发现，生活在近海、远离海岸的物种有更多的椎骨、更多的脊椎骨区域和更快的爆发性游泳速度。生活在河流和海湾的物种，即离海岸较近的物种拥有较少的脊椎骨和脊椎骨区域，但它们的脊椎骨区域彼此之间差异较大，这可能使它们具有更大的机动性。

在更好地了解鲸类脊椎的组织结构后，研究人员计划下一步利用实验室收集的脊柱柔韧性实验数据，研究这些形态区域与功能之间的关系。这些收集到的现代分类群数据应该可以进一步推断出鲸鱼的游泳能力，并有助于了解脊柱如何从陆地上的承重结构转变为水中的推进运动器官。

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编译 | Sara

审核 | Daisy

排版 | 绿叶

参考资料略