鲸的进化过程是怎样的?
在生物分类中,鲸属于哺乳动物的一个亚纲——鲸目动物。在鲸目动物中,鲸鱼被分为齿鲸类、须鲸类和古鲸类。其中,蓝鲸属于须鲸亚目,游动缓慢,以鲸鱼捕食浮游动物为食,构成了人们对鲸目动物的一般印象。
但面对澳大利亚科学家的新发现,这种印象可能需要修正。
古代鲸鱼身份:可能是须鲸的祖先
澳大利亚科学家发现了一种长相凶猛、牙齿锋利的古代鲸鱼化石。这些化石是在维多利亚州东南部一个名为JanJuc的小镇附近发现的,因此科学家将其命名为“Janjucetus”。上世纪末,一名在维多利亚海滩冲浪的少年发现了这块化石。多年来,它一直作为普通化石放在莫纳什大学一位学者的办公室里。经过三年的研究,菲茨杰拉德教授最近宣布了他的新发现。他推断这头鲸生活在2500万年前,可能是现存须鲸的祖先。
现在的问题是,它与须鲸如此不同,以至于须鲸的进化史甚至需要修改。在此之前,科学家们普遍认为,在白垩纪末期,曾经统治地球的恐龙全部灭绝,原始哺乳动物,尤其是真正的哺乳动物繁盛起来。在第三纪开始,这些动物中的一些物种回到海里生活,并逐渐产生了最早的鲸目动物:古菌。但是,现存的两种鲸,齿鲸和须鲸,都是由古生菌进化而来的。其中,须鲸亚目出现较晚,约在4000万年前,为了捕食海洋中的浮游生物和小鱼小虾,从齿鲸中分化出来。通过对比时间表可以发现,新发现的Janjucetus生活在须鲸从齿鲸分化出来之后,因此其古怪的特征引起了科学家的注意。
问题1为什么Janjucetus是须鲸?
“毫无疑问,它属于长须鲸,”菲茨杰拉德教授说。"它的耳朵结构清楚地显示了须鲸的特征."
在鲸目动物中,耳朵结构被视为一个重要的判断标志。因为声音在水和空气中以不同的方式传播。人类和其他陆生动物有薄而平的耳膜(也叫耳膜),以空气为传播介质接收声波;现代鲸豚的耳朵结构是又粗又长的鼓膜韧带,无法接受声波。他们使用叫做bulla的骨头。现代鲸目动物有非常密集的气泡,因此它们可以将密集介质传输的声音传输到内耳。
以2000年在巴基斯坦发现的古鲸Pakicetus为例。它的鼓泡已经向现代方向进化,但它们仍然保存着类似陆地哺乳动物的耳膜,在水下没有任何作用。基于这一特征,发现者泰维森博士推测,正如乌龟听到了其外壳传递的地面振动一样,叶鬼鲸可能是通过冒泡捕捉到了地面传递的声音。在综合考虑新发现的身体骨骼和耳朵结构后,他将叶鬼鲸想象成一种以伏击为主要策略的捕食者。像鳄鱼一样,它们可能潜伏在河岸的浅水区,头朝向岸边,攻击前来饮水的动物。
鲸类听觉的进化到了晚期,齿鲸和须鲸分道扬镳。齿鲸进化出了接收和发出高频声音的设备,因此它们可以利用回声定位来搜索猎物,而须鲸则接收和发出极低频的声音,并可以远距离相互交流。鲸类耳骨化石表明,大约在2800万年前(渐新世晚期),早期齿鲸具有一些接收高频声音的骨骼结构,因此它们至少具备了基本的回声定位技能。虽然它们低频听觉的起源尚不清楚,但根据化石记录,须鲸在3400万年前(渐新世早期)就出现了低频听觉结构。正是因为在Janjucetus发现了须鲸的耳朵结构,所以它属于须鲸的一种。
问题2:为什么须鲸有牙齿?
顾名思义,须鲸与齿鲸的区别在于,前者的腭表皮完全角质化并延伸至须鲸内,约150至400片,而后者的牙齿呈圆锥形,终身不会改变。
菲茨杰拉德发现Janjucetus不仅没有鲸须,而且有非常锋利的牙齿,几乎有手指那么长,所以他认为Janjucetus是一种凶猛的掠食者。据菲茨杰拉德估计,它只有3.5米长,在须鲸家族中属于非常小的个体。但它的独特之处在于,它能用锋利的牙齿捕捉更大的鱼,包括其他鲸鱼,甚至鲨鱼也会成为它的猎物。
事实上,Janjucetus化石的重要价值之一就是让人们重新审视齿鲸/须鲸这样简单的分类背后所忽略的事实。科学家早就发现须鲸在胚胎阶段就有牙齿,它们的牙齿直到出生后才变成须鲸。这个问题,加上爬行动物、鸟类和哺乳动物胚胎中的鳃裂问题,以及高等脊椎动物胚胎中脊索的存在,对早期进化理论提出了质疑。达尔文在《物种起源》中首先指出,唯一合理的解释是这些奇怪的形态是它们祖先的遗产:“相同的胚胎结构揭示了相同的祖先。”后来德国动物学家ErnstHaeckel提出了生物复现律,声称个体发育是系统发育的复现,反映了简化压缩的进化过程。通过研究胚胎发育,我们可以了解动物的进化过程。这显然是一个过于简单化和极端化的命题,因为胚胎发育只是再现了祖先的一个特定结构,并没有重复祖先的整体形态。
问题3:巨大的眼窝是什么意思?
Janjucetus头骨的其他显著特征包括眼眶的位置。早期的巴基鲸和陆鲸像鳄鱼,眼窝位于头顶。当他们到达水生原鲸和后来的鲸目动物时,他们被定位在他们的头上。Janjucetus的眼睛很大,Fitzgerald说,就是那种直径24厘米的巨大眼窝。这表明,就Janjucetus的大小比例而言(根据Fitzgerald的估计,长度约为3.5米),它拥有所有已知鲸目动物中最大的眼睛。虽然头骨的大小与现代宽吻海豚相似,但眼沟的直径却是后者的两倍。它敏锐的眼睛会帮助它追踪猎物,然后把它撕成碎片。
也许须鲸本身的特点和用须鲸过滤海水捕食鱼虾的生活方式,并不是须鲸亚目分化以来的基本特征。更有可能的是,在与齿鲸分道扬镳后,须鲸亚目呈现出复杂的进化图景,其中一个进化成了蓝鲸、长须鲸等性情温和、行动缓慢的物种,而须鲸家族的其他成员却顽固地保留了捕食牙齿等大型鱼类的特性,于是走上了奇怪的进化方向,成为了须鲸家族内部所谓的“问题少年”。用菲茨费拉尔德的话说:“Janjucetus是鲸类发展和进化的一个奇怪分支,就像现代须鲸的表亲,而不是直系祖先。”
-进化史
鲸鱼是骆驼的后代?鲸类陆地祖先之谜
科学家认为现代鲸类动物起源于食肉四足哺乳动物。他们的祖先有点像大型狼,擅长漫游和追踪猎物。直到5700万年前,也就是始新世初,这些食肉动物面临着严酷的食物来源,而由于恐龙已经灭绝,海洋中的食物资源非常丰富,一些哺乳动物毅然跳入大海开辟新世界。结果,它们的身体经历了深刻的进化,最终变成了现代鲸鱼的样子。(见上图)
然而,在哺乳动物进化史中占据重要地位的鲸是如何进化的,鲸的祖先是谁,这个问题一直没有得到准确的回答,并且存在争议,因为没有找到陆地生化石的确切证据。根据牙齿和耳区的形态特征,古生物学家认为鲸目动物最接近中爪类动物(一种已灭绝的早第三纪食肉有蹄类动物);但分子生物学家认为,鲸类动物属于偶蹄目动物(如羊、牛、猪、骆驼和鹿),是河马(偶蹄目的一个科)的姐妹群。
2001出土的一些新化石表明,踝骨的形态类型是适应奔跑的,曾经被认为是偶蹄类特有的,而现在则明确出现在鲸类中。因此,形态学证据首次表明,偶蹄类动物是鲸类动物的近亲。这意味着偶蹄类和鲸类形成了一个更大群体的两个分支(即鲸类偶蹄类分支)。这些研究人员将中爪动物排除在这个更大的群体之外,并指出河马并不是鲸类的一个活着的姐妹群,鲸类最近的化石亲戚可能是已知最早的偶蹄类动物,比如远古的偶蹄类动物(约5000万年前)。
几乎与此同时,另一个研究小组在巴基斯坦西南部发现了另一个约4700万年前的动物骨骼化石。这些化石也为鲸与偶蹄类动物有亲缘关系提供了有力的形态学证据,它们是偶蹄类动物的后代。