【太阳成集团】科学家探查座头鲸进食策略进化

作者: 科技中心  发布:2020-02-03

很多动物都不愿意改变自己的行为,尤其是在食物方面。但美国弗吉尼亚州汉普顿—悉尼学院海洋生物学家Alexander Werth说,这项报告和会议上报告的其他几项研究则揭示了全世界的座头鲸是如何找到新狩猎策略的。这也说明了这些动物相互学习以及拓展出有效的食物渠道的能力。

鳁鲸是滤食类鲸鱼须鲸的一个亚群,科学家才刚刚开始了解这个亚群的一些成员(包括座头鲸、长须鲸及蓝鲸等)是怎样演化出了巨大的体形的。科学家很早就注意到鳁鲸喜欢待在海面附近,也知道它们的进食习惯,但他们直到最近才通过安装在鳁鲸身上的不同的感应器,惊讶地发现这些鲸鱼在海洋深处的进食行为。通过对冰岛一家鲸鱼加工场提供的鳁鲸尸体进行解剖,科学家发现了此前未知的、在鳁鲸抓捕猎物过程中起着重要作用的感应器官。这令科学家相当吃惊,因为他们发现自己仍然对鲸鱼所知甚少,而人类已经快要把鲸鱼赶尽杀绝——自从17世纪开始产业化捕鲸以来,总共已有超过100万头鲸鱼被杀死。

座头鲸 图片来源:百度图片

大约5500万年前 鲸鱼的祖先投身水中,很可能是为了在当今南亚所在地区的当时的河流中觅食。

1990年秋,一些座头鲸出现在南非西海岸,那里很少能看到它们。在接下来的几年里,那里出现的座头鲸一再增加。如今,一年中有好几个月,这种大型海洋哺乳动物有近200头会在这块比美国橄榄球场还小的海域中厮磨嬉戏。

鲸鱼变大之谜

一旦鲸接近这一丰盛的“自助餐”,它们就会做一些以前没人看到过的事情。在正常情况下,两到三头鲸组成的鲸群会在数十平方公里的范围内同步俯冲,寻找食物。在这样的潜水过程中,它们每小时俯冲约32次,并加速吞入所有食物,然后在每次的俯冲间隔期间在水中停留约1分钟。但在这片食物密集的区域,则出现了对所有竞争者开放的一场混战。这些鲸几乎像“叠罗汉”一样堆在了一起,每小时俯冲约53次,休息时间仅有半分钟。

从这些相当小而又不起眼的祖先,鲸鱼一直演化,直到变成庞然大物。除了最小的成年鲸鱼外,所有成年鲸鱼的体重都超过今天陆地上最重的动物——非洲象。至于今天最大的鲸鱼——蓝鲸,其体长很容易就超过30米,体重超过190吨,让迄今为止所发现的最重的恐龙——阿根廷龙也相形见拙,后者的体重才74吨。事实上,有古生物学家把鲸鱼视为“来自太空的哺乳动物”,原因是它们和我们今天所见的任何其他哺乳动物都不同。

现在,科学家认为他们搞清了是什么在吸引这群或为全球最大规模鲸目物种聚集于此:大量容易获得的食物。研究人员在近日海洋哺乳动物协会两年一度的会议报告中说,饥饿的座头鲸会迁徙数千公里,享用一种名为磷虾的小型甲壳类动物。

此外,一项实地研究表明,虽然座头鲸每次潜水平均而言会进行大约9次猛扑式进食,更大的长须鲸和蓝鲸每次潜水却分别只会进行4次和3次猛扑式进食。因此,就算更大的鳁鲸每次猛扑能吞下更多海水,鲸鱼最终还是会达到每次潜水滤食总水量的极限值,也就是达到捕获磷虾数量的最大值。所以,由猛扑式进食技术本身(而不是由能效极高的进食策略或食物的总体可得数量)强加的生物物理学限制条件,最终可能为鳁鲸体格的增大过程画上句号。从理论上说,须鲸有可能演化出更大的个头,但实际上也有一些能量限制条件。难怪有科学家指出,蓝鲸不仅是现在仍然存活的和生命史上曾经有过的最大动物,而且有可能成为哪怕在未来也是最大的动物。

“基本上,它们只是在张着嘴。”Cade说。他报告说,鲸以这种方式进食数小时,然后它们会分成小群体散开。Cade表示,食物密度的简单变化可能会导致这种不寻常的行为,这说明了猎物的密度在推动新狩猎策略的进化。这也表明,鲸发生了一些有趣的交流,不知通过怎样的方式,它们已经了解到要把肚子喂饱——南非是应该去的地方。

通过分析化石记录,科学家得以了解,在恐龙于大约6500万年前灭绝之前,主要的哺乳动物——只有啮齿动物大小的多尖齿兽目——总体而言个头偏小,体重大约3千克,大小只及一只家猫。然而,一旦它们的主要的爬行类竞争对手——恐龙从陆地上消失后,哺乳动物的多样化就在随后的3500万年里呈爆发式增长。接着,由于某种原因,最大的陆地哺乳动物的体重稳定在了大约15吨左右。

共赴一场饕餮盛宴 科学家探查座头鲸进食策略进化之谜

明天 鲸鱼是否会进化出更大的个头?一些研究暗示,蓝鲸的能效很高的猛扑式进食方式,几乎注定了不会再有比今天更大的鲸鱼。换句话说,猛扑式进食决定了蓝鲸不管是在过去、现在还是未来都是最大的动物。

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挪威海洋研究所海洋生物学家Martin Biuw说,其他地方的座头鲸也因为其他种类的盛宴而聚集在一起。从2010年开始,他注意到当地的峡湾中有24头座头鲸,与此同时,大量鲱鱼在那里游过,为后续的向南方迁徙做准备。“任何时候,只要有大量的猎物,就会有我们此前从未见过的超级捕猎群。”他说。

鲸鱼生活在地球上所有的海洋中,其体形、大小纷呈,占据着不同的生态位,所吃食物从大王乌贼到小鱼、甲壳纲动物,直到位于或接近海洋食物链最底层的浮游动物。那么,鲸鱼成为进化过程中的胜者的秘诀何在?很显然,多样性是其中的一个原因,对环境的适应和有用的行为也赋予了鲸鱼一些优势。齿鲸可通过回声定位发现猎物,许多种类的鲸鱼还运用多种叫声来与同种的其他成员进行交流。通常被称作杀人鲸的逆戟鲸实际上是海豚家族中最大个头的成员,它们高度社会化,习惯群居生活,它们的捕猎习惯和“方言”代代相传。抹香鲸经常是海洋中的独行侠,但最近的研究暗示成年抹香鲸会以小群出击的方式捕猎。

大多数时候,磷虾的密度是随机的,而鲸的进食活动是缓慢而稳定的。但有一天下午,Cade报告说,鲸都聚集在一个地方,那里有40米深的水,每立方米水中约有107克磷虾,远远超出平均每立方米66克磷虾的密度。

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《中国科学报》 (2017-11-09 第3版 国际)

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手里有了特有的许可,在加利福尼亚太平洋格罗夫霍普金斯海洋站工作的斯坦福大学学生Cade,帮助他们在该地区装备了12头鲸。研究人员使用的仪器相当于Go-Pro—— 一种带有运动探测器和深度探测器的摄像机。这些仪器共同显示了鲸在水下做的事情。更重要的是,船可以监测水下猎物的密度,这样Cade就能知道鲸在吃什么。

大约4700万年前 虽然在水中无疑取得了成功,一些原始鲸鱼却依然固守陆地。曾经生活在南亚海岸的一头2.6米长的慈母鲸的化石中包括了一个很可能是头先出来的胎儿,这表明慈母鲸的生育发生在岸上而不是水中。

会上还讨论了其他一些不寻常的进食行为:Biuw与日本研究人员合作,记录了躲在渔船下捕食死鱼的座头鲸。加拿大温哥华岛海洋教育和研究协会海洋生物学家Christie McMillan一直在追踪温哥华岛海岸附近座头鲸的新进食行为。2011年,他看到有两头座头鲸在水面张开嘴,似乎是在将小鱼轻轻滤入口腔内。她在会议上报告说,到2015年,有16头座头鲸在练习这种“陷阱进食”方法。

除了是地球上最大规模的生物机械事件,鳁鲸的猛扑式进食还是一种需要精细时机安排的复杂操作。对生物学家来说最大的问题包括:鲸鱼怎样定位磷虾?定位之后,怎样掌握张嘴、闭嘴的时机,从而使得一口吃到的猎物最多?在2009年和2010年商业捕鲸期间捕捉到的小须鲸和长须鲸可能提供了答案,而答案在于发现于鲸鱼下巴的一个器官。

“座头鲸从未停止给我惊讶。”Werth说,“它们非常有韧性。”

与所有鳁鲸一样,蓝鲸也有手风琴似的、从口鼻部一直延伸到腹部的喉囊。对一头身长24米的蓝鲸来说,喉囊长度就占了体长的60%。2013年公布的一项新研究发现,在猛扑式进食的最初阶段,蓝鲸的速度在4~6秒钟内就从每秒大约2.5米加快至每秒3.7米。接着,蓝鲸垂下自己的下颚(有时候下垂幅度达到90°),让其咽喉的横截面积最大可达12平方米。海水涌入蓝鲸口腔所造成的液体动力阻力,使得蓝鲸的咽喉就像拖在喷气机后面的制动伞一样膨胀。

南非开普敦国家环境事务部海洋生物学家Mduduzi Seakamela和开普半岛科技大学的Kenneth Findlay 在招募研究生David Cade帮助他们确定鲸在海岸线上做什么时,他们肯定并不知道这些。

5300万年前~4800万年前 一系列鲸鱼祖先(包括拉布拉多犬大小的巴基鲸、海狮大小的罗德侯鲸和狐狸大小的印多霍斯鲸)游弋在南亚水域。它们都保留着完整的肢体,但也适应了在水下听声音。

鲸鱼的体形增大速度为什么这么快?目前并无定论。但有一种观点认为,生活在水生环境中的鲸鱼无需构筑大的骨骼或以其他手段来对抗引力以支撑身体,因此它们在长期生长方面所受限制条件较少。另一种理论则认为,海洋哺乳动物容易采集到丰富的高质量食物。总之,在水中生活与在陆地上生活有着明显的不同。

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新的分析显示,具有讽刺意味的是,让鳁鲸尤其是大型鳁鲸得以演化出庞大体形的效率很高的进食策略,如今或许已经成为限制它们终极生长的决定因素。一些科学家指出,今天的蓝鲸也许将成为地球上存在过的最大的动物。

生命的里程碑之一出现在3.75亿年前,当时动物们试探性地离开水面去征服陆地;另一个生命里程碑则出现在大约5500万年前,当时一群难以描述的哺乳动物逐渐放弃坚实的大陆而回归大海。

为了利用如此密集的猎物,鳁鲸进化出了一种被科学家叫做猛扑式进食的技术,这种进食过程被科学家描述为“世界上最大的生物机械事件”。通过对鳁鲸在水面或水面附近的猛扑式进食的观察,再加上从临时性安装在数百头蓝鲸身上的仪器获得的数据,科学家对这种进食方法及其能量效率有了新的认识。

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