鲸鱼在进化过程中是怎么把鼻子转移到背部的?

白雪1234569


对于大部分时间在水下活动又呼吸空气的生物来说,鼻孔在顶部有不言而喻的好处。至于如何进化来的,牵涉到上颌骨长度,脖子位置和鼻孔开口位置,关系如何直接上图吧。

人类头骨,上颌最短,头大部分处于脊椎垂直位置,脖子只能有限的抬头,鼻孔在正面。

牛头骨,上颌在很长,鼻孔位置变成上颌的正上方。因为大部分时候牛是低头的,所以鼻孔大部分时间朝下。当牛游泳,脖子可以抬头到让头部与脊椎平行,抬头时候鼻孔就已经是在身体顶部了,水牛游泳时候姿势就很典型。

原始鲸类头骨,上颌很长,脖子固定到脊椎平行位置,鼻孔已经基本挪到了顶部。

最后,现代鲸鱼,头进一步延长,可占身体1/3,脖子几乎没有了,头固定到与脊椎平行位置,鼻孔的开口进一步往上挪。

此外,鲸鱼鼻孔不是在背上,仍然是在头顶。从外表看来鲸鱼背部和头没有明显界限,但是骨骼上是由明显区分的。说在背上只是个形象说法,毕竟科普资料的对象都是人类,大部分人提到头顶都会认为是脊椎平行延伸位置,也就是鲸鱼嘴巴那个位置,说鼻孔在背上就没有人会误会。


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首句给出答案:从陆地走回海洋的鲸鱼,为了更高效率地换气,鼻孔逐渐转移到脑门上。

5000万年前,鲸鱼的祖先和河马的祖先是同一个。那时候,古鲸鱼还生活在陆地上,跟现在的河马、猪牛羊和鹿一样,长着偶数脚趾头,属于偶蹄类动物,有个名字叫陆行鲸。

某天陆行鲸为了躲避大型猛兽的追杀,跳进了海洋。刚下水的陆行鲸跟其他四条腿的动物一样,四肢扑腾,狗刨式划水前行。陆地上跑不快的陆行鲸,下水后游得也慢。它在水里追不上猎物,主要依靠潜伏捕猎为生。

白天偶尔下水,晚上回到陆地上休息的陆行鲸有了一个新名字,叫游走鲸。多半时间生活在水里的游走鲸的身体在水里逐渐变化。为了加速划水,细长的四肢开始缩短,小脚掌变大了,趾间长出了薄薄的脚蹼。

为了方便换气,游走鲸的鼻孔从鼻子的尖端开始往上移动,从眼睛前面移到了眼睛后面,一直移到脑门的最高处。再也不用仰着头吸气了,游走鲸只要往水面上一浮就能水平换气,大大增加了水中活动的效率

为了推进击水,游走鲸的尾巴变得又粗又长,另外它还学会了蝶泳,通过上下摆动腰背部来推动身体前进。蝶泳泳姿比狗刨式速度快很多,游走鲸如鱼得水,越来越适应海洋生活。游走鲸属于古鲸的一个过渡形态,体现了古鲸从陆上走回海洋的变化。下图是游走鲸骨骼。

游走鲸留在了海洋,不再返回陆地,成为了海洋鲸。海洋鲸的前臂变短了,划水时不需要的肘和腕关节也僵化了,只保留了灵活的肩关节,海洋鲸的前臂变成了鱼鳍状的肢体。站立时支撑体重的骨盆在海里失去了用武之地,海洋鲸的骨盆越缩越小,彻底脱离了脊椎。外貌已经变得跟鱼儿一样的海洋鲸并没有学会鱼儿的左右摆尾,依然传承了游走鲸的蝶泳泳姿,上下摆尾前进,并抛弃了没用的后腿。

海洋鲸的一口气能憋2个小时以上,长在头顶的鼻孔成了呼吸利器,每次海洋鲸浮出海面换气时,高速喷出的气体会把鼻孔附近残留的水冲到空中形成壮观的雾气水柱。

鲸鱼的鼻孔从鼻尖转移到身体的最高处,这一过程正好体现了鲸鱼从陆地到海洋的适应过程。


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大约在七千万到五千万年前,恐龙相继灭绝后,哺乳动物开始占据地球生物圈主导地位,一群哺乳动物为了寻求水中丰富的动植物食物,重新涉水而入,填补了不同的利基市场,这些猪一样大小,四条腿的温血胎盘动物很快适应了水中的新栖息地,并很快在进化树上产生了一个新的分支——鲸目,包括世界上所有的鲸鱼,海豚和江豚,这种进化路径被证明是成功的,虽然在水生环境中对游泳、保温和感官意识的需求导致这群哺乳动物进化出水栖相适应的身体形态。

鲸目动物在一定程度上可以说是有史以来最成功的水生动物群体,鲸科动物在形态和生理许多特殊适应性方面,都超过了大多数水生动物,虽然它们是由陆地上靠肺呼吸的哺乳动物进化而来的,但他们征服了水生环境。鲸类动物的鼻子在进化的过程中,从嘴尖一直移到头顶,这是对水生生物最完美的适应之一。当鲸鱼祖先鼻子往上移后不再需要把头抬出水面或者倾斜鼻子,呼吸更加轻松,由于古代鲸鱼在水中浸泡的时间越来越长,它们的鼻孔向上并向头顶移动。确凿的古生物学证据显示在系统发育过程中鼻腔开口的移动过程被化石记录下来,这些动物的鼻孔进化得越来越靠后,这种趋势一直延续到鲸鱼和海豚身上,鲸鱼气孔(鼻孔)位于头部眼睛上方。

通过对鲸目动物个体发育观察,可以看到这种进化过程在胚胎发育中重演。在胚胎早期阶段,鼻腔开口仍然像陆地哺乳动物一样位于鼻尖,随后逐渐向头部顶点移动。


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根据相关科学家对鲸类动物解剖发现,其骨骼结构基本是与鹿类和羊类动物相似,由此推理出鲸类动物是由鹿类或羊类动物演化而来的。他们原先是陆生动物,是生存处于地壳物质运动逐渐下沉的岛屿上,当该岛屿下沉到接近水平面时,为了求生存,不断适应在海洋中进行取食和生存活动,久而久之,陆地生存的功能不断衰退,而水生的功能不断地获得完善与发展。

随着岛屿的继续下沉并到达水平面,他们完全失了陆地生存的依托,不得不离开他们原来的栖息地,才走进海洋中进行取食和各项生存活动,虽然,他们已对海洋产生了种种适应性,但他们用肺呼吸来交氧气的功能是无法改变的,因而,他们在海洋水体的生存活动过程中,每过一段时间都要游到水面上进行交换氧气,为适应这种生存表现特征,久而久之,能将两个鼻孔逐渐移位到身体的背部,便于在水面上进行交换氧气,这就是他们鼻子演化移位到背部的必然。

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今天的鲸类分为须鲸亚目和齿鲸亚目,它们的鼻孔都是长在头顶上的,而不是背部的。

图注:今天海洋中的鲸类,图片来自网络

我们都知道鲸类的祖先是生活在陆地上的小型哺乳动物,它们进入海洋之中,经过5000多万年的演化,最终成为今天海洋中最常见最多样的海生哺乳动物家族。

图注:巴基斯坦鲸复原图,图片来自网络

巴基斯坦鲸(Pakicetus)是已知最早的鲸类之一,这种生活在5000万年前的动物看上去就像是一条狗,拥有长长的四肢,身上长着毛发。仔细观看巴基斯坦鲸,你会发现它的鼻子在脑袋前端,就像今天常见的陆生哺乳动物一样。因为巴基斯坦鲸的鼻孔在脑袋前端,所以它们游泳的时候应该像今天的狗一样,画风是这个样子的:

随着鲸类逐渐进入海洋之中,并且适应了海洋生活,其鼻孔逐渐移到了脑袋顶上,下面的原鲸和龙王鲸的复原图可以看到鼻孔正处于上移的阶段之中。

图注:原鲸复原图,注意其鼻孔的位置,图片来自网络

以上介绍的古鲸类都属于古鲸亚目,而今天海洋中的须鲸亚目和齿鲸亚目都是由古鲸亚目进化而来的,时间在渐新世中期,大约3000万年前左右。

图注:古鲸亚目演化树及一起代表成员,图片来自网络

从今天须鲸亚目和齿鲸亚目鼻孔位置几乎相同来看,它们的共同祖先应该已经出现了位于头顶之上的鼻孔,也就是大约在须鲸亚目和齿鲸亚目从古鲸亚目之中分化出来之前,鲸类就已经完成了把鼻孔从脑袋前端移到头顶的过程,这个过程大约持续了2000万年的时间。

鲸类将鼻孔从嘴巴前端移到头顶上并不仅仅是位置的变化那么简单,今天的陆生哺乳动物食道和气管都是相通的,所以如果我们的鼻子因为感冒堵塞了,还可以用嘴巴呼吸。除了呼吸之外,我们的鼻子还有嗅觉功能。鲸类就不一样了,由于它们鼻孔位置的变化以及为了适应海洋生活做出的改变,气管和食道完成了分离,鼻孔直接与肺部连接,食道与消化系统连接,所以鲸类的鼻子只用于呼吸却不能用于闻气味。

为了更好地在海洋中生活,鲸类位于头顶的鼻孔的确比位于脑袋前端更有效率也更安全。在鲸类鼻孔的下面有一组强健的肌肉,能够在鲸类潜水的时候将鼻孔完全闭合,避免出现呛水的风险,食道和气管的分离也保证了鲸类在海洋中捕食不会呛水。

图注:正在呼吸的灰鲸,从水雾就能看到其鼻孔有两个,图片来自网络

图注:正在浮窥的虎鲸,一个鼻孔非常明显,图片来自网络


最后说两点关于鲸类鼻孔的小知识:第一,所有的须鲸亚目依然长有两个鼻孔,而所有的齿鲸亚目只剩下了一个鼻孔;第二,我们通常看到鲸类浮出水面喷出的水雾并不是它们鼻子里的水,而是留在鼻孔“坑”里的积水在高速喷出的气流作用下形成,这样也是为了避免这些水进入鼻孔,提高呼吸安全性和效率。

图注:浮出海面呼吸的蓝鲸,图片来自网络



古生物探索


这个鼻子位置问题,应该跟动物的体位性活动方式和活动的区城性介质有关。在水域活动,与压力性的挤压与体位性的适应有关;正如直立方式的动物在重力作用下,下巴骨往下垂,则鼻子顺应性地就上移了,比如你和大猩猩的鼻子上挂了,就是这么回事。


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