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为什么在海洋里生存的鲸鱼,没有进化出鳃?

大约在6500万年前,一颗小行星袭击了地球,统治地球1.6亿年的恐龙正式退出历史舞台,而鸟类和哺乳动物开始崛起。

而随着第四纪冰期的到来(大约开始于260万年前的样子),哺乳动物彻底占据生态位,成为陆地霸主,无论在种类,数量,还是体型上都有了很大的变化。

然而,哺乳动物中有一个分支远不满足于陆地,它们把目光投向了更

加广阔的海洋,那就是鲸豚类,也就是现在鲸鱼和海豚这些。

虽然,现在靠海生存的哺乳动物有几种,它们被称为海洋哺乳动物,但是鲸豚类是最早下海,以及对海洋适应性最好的哺乳动物,

鲸鱼下海的演化最少可以追溯到5000万年前,现在的它们已经无法在陆地停留,哪怕只是短暂的,也会像鱼类一样死亡。

不过,鲸和鱼无法在陆地停留的原因是不同的。

鱼类是因为它们需要用鳃获取水中的氧气,一旦进入陆地就无法得到氧气,而鲸是用肺获取空气中的氧气,它们无法在陆地停留是因为离开海水,巨大的体型会让内脏受到严重的挤压。

那么有一个有趣的问题,既然鲸鱼在5000万年的进化中完全适应了海洋,那为什么它们没有进化出鳃,而是继续用肺呼吸呢?

图注:抹香鲸和它的骨头

鲸鱼来自陆地

毫无疑问,鲸鱼是哺乳动物,它们来自陆地,即便现在它们完全生活在海里,但它们身体的骨骼依然保留着陆地哺乳动物的原始面貌。

已知最古老的古鲸是巴基鲸或者叫巴基斯坦古鲸,从5000万年前的化石中得知,它们有四条腿,有尾巴,看起来更像狼而不是鲸鱼。

这些动物嘴巴里都是尖尖的牙齿,磨损的方式表明它们吃鱼。

图注:巴基斯坦古鲸,生活在水里的四足动物

不过有意思的是它们的眼睛位于头骨的上方――加上这一点想到了什么?

它们的生存方式可能很像现在的鳄鱼,眼睛在头骨上方的话就可以即便在水下,依然可以观察水面的情况,可以捕食来那些水边喝水的动物。

能在水下捕猎让这些古老的鲸鱼大获成功,在 49 到 4000 万年前一种被称为原鲸类的古代鲸鱼群体遍布全球水域。

图注:陆行鲸-4900万年前生活在浅海

它们的耳朵和下巴得到最大优化,适应水下听力和游泳,不过它们像现在的海豹一样会回到陆地哺乳后代。

原鲸类非常多样化,随着时间流逝,它们中的许多走向了灭绝,但是有一些更加适应了海洋,变成今天的鲸鱼和海豚。

它们的拥有背鳍,四肢被“蹼”完全覆盖,外观上和“水生水长”的鲨鱼差不多,这被称作协同进化――两个完全不相关的物种为了适应相同环境也变得相同。

可即便如此,为什么呼吸空气的本质鲸鱼一直都没有变过呢?

图注:鱼用腮呼吸

用肺呼吸强过鳃呼吸

鱼和水好像是强关联的存在,所以我们理所当然地认为在水中的动物就应该用鳃呼吸,而不是用肺呼吸。

事实上,即便是在海洋生存,用肺呼吸也比鳃呼吸要更好,至少对于鲸鱼来说是这样的。

鳃允许动物在水下就能获取氧气,这是非常完美的适应性进化特征。但水的含氧量很低,对于海水而言也只有4.59~8.72毫米/升――差不多就是4.59‰~8.72‰之间,而这个比例在空气中是21%(大气含氧量)。

呼吸空气可以让生物能够获得数十倍的氧气,很明显用肺呼吸是更加高效的呼吸方式,而鲸鱼需要这些氧气来提高新陈代谢率,因为它们是恒温动物。

图注:抹香鲸是这样垂直睡觉的,它们吸一口气可以睡2小时

同时,这也是为什么现在的鲸鱼可以长到这么巨大,要知道最大的蓝鲸可以达到200吨,如果用鳃呼吸,想保持这么庞大身躯的温度几乎是不可能的。

用肺呼吸是它们的祖先经过数亿年的进化才得到的,鲸鱼没有抛弃肺的理由,而自然界所有生物都是高效的,有了肺它们自然不会再搞个鳃。

不过,为了能够在水中愉快地捕猎,鲸鱼确实做了许多适应性改变。

鲸鱼如何长时间在水下捕猎?

对于普通人而言,憋气1分钟估计都挺难的,但是一只抹香鲸可以在水下待2个小时,一直屏住呼吸,直到完成捕猎回归水面。

鲸鱼之所以做到这一点,其实它们改进最多的并不是自己的肺,或者说不是获取更多的氧气,而是如何存储氧气。

我们通过肺获取空气中的氧气,然后通过血液运输到全身,而血红蛋白是作为氧气的运输工具,我们憋气的时候,主要就是消耗血红蛋白中的氧气让我们保持一定时间的清醒。

不仅如此,它们血液含量也比陆地生物要高许多,人类血液的体积差不多是身体的7%左右,但是鲸鱼的血液达到10%-20%,这相当于它们氧气的存储空间更大。

氧气的另一个存储空间是肌肉中的肌红蛋白,鲸鱼肌肉中的肌红蛋白浓度比它们的陆地亲属高出 30%,这让它们能够多存储大约35% 的氧。

除了存储氧气之外,鲸鱼还很会“节约用氧”,比如它们会有意识地控制心率,并减少一些非必要器官和肌肉的血液流量。

总之很明显,鲸鱼不需要鳃,也有办法在水中活得很好,甚至是更好,这就是为什么它们现在没有鳃,而且大概率是将来也不会有鳃。