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進入海洋5000多萬年後,完全适應了海洋環境,為什麼鲸魚沒有進化?

進入海洋5000多萬年後,完全适應了海洋環境,為什麼鲸魚沒有進化?

大約6500萬年前,一顆小行星撞擊地球,1.6億年前的恐龍正式從曆史中退役,而鳥類和哺乳動物開始崛起。

随着第四紀冰河期(大約260萬年前開始)的到來,哺乳動物接管了生态位,成為陸地惡霸,在物種,數量和大小上差異很大。

然而,哺乳動物的一個分支遠非陸地,它們正在向更廣闊的海洋,即鲸魚和海豚,現在是鲸魚和海豚。

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雖然現在有幾種哺乳動物生活在海邊,它們被稱為海洋哺乳動物,但鲸目動物是第一個出海的,對海洋哺乳動物的适應性最好,

鲸魚至少在5000萬年前就已經進化了,不再能夠留在陸地上,即使隻是短暫的,也會像魚一樣死亡。

然而,由于不同的原因,鲸魚和魚類不能留在陸地上。

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魚是因為它們需要用鰓在水中擷取氧氣,它們一旦到達陸地就無法獲得氧氣,而鲸魚用肺部從空氣中擷取氧氣,它們不能停留在陸地上,因為它們離開了水,巨大的尺寸會導緻内髒器官受到嚴重擠壓。

是以有一個有趣的問題,既然鲸魚在5000萬年的進化過程中已經完全适應了海洋,為什麼它們沒有進化并繼續用肺呼吸呢?

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附圖:抹香鲸及其骨頭

鲸魚來自陸地

毫無疑問,鲸魚是哺乳動物,它們來自陸地,盡管它們現在完全生活在海洋中,但它們的骨骼保留了陸地哺乳動物的原始外觀。

已知最古老的古代鲸魚是巴基鲸,或巴基斯坦鲸,5000萬年前的化石有四條腿,尾巴,看起來更像狼而不是鲸魚。

這些動物的嘴裡有尖尖的牙齒,它們磨損的方式表明它們吃魚。

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圖:巴基斯坦的古代鲸魚,一種生活在水中的四足動物

但有趣的是,他們的眼睛在頭骨上方 - 加上這意味着什麼?

它們今天可能生活得很像鳄魚,眼睛在頭骨上方,是以它們仍然可以觀察水,甚至在水下,捕食在水邊喝水的動物。

對于這些古代鲸魚來說,水下狩獵的能力是成功的,這是一群被稱為後代鲸的古老鲸魚,在4900萬至4000萬年前傳播到全球水域。

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Image caption 4900萬年前,陸地鲸魚生活在淺水區。

它們的耳朵和下颚經過優化,适合水下聽覺和遊泳,但就像今天的海豹一樣,它們會回到陸地上母乳喂養後代。

最初的鲸魚是如此多樣化,以至于随着時間的推移,它們中的許多都滅絕了,但有些鲸魚變得更加适應海洋,成為今天的鲸魚和海豚。

它們有背鳍,四肢完全被"蛞蝓"覆寫,看起來類似于"水生水長"鲨魚,這被稱為融合進化 - 兩個完全不相關的物種,為了适應相同的環境而變得相同。

但即便如此,為什麼呼吸空氣的本質沒有改變呢?

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圖:魚用鰓呼吸

用肺呼吸比用肺呼吸更強

魚和水似乎有很強的相關性,是以我們理所當然地認為水中的動物應該用鰓而不是肺呼吸。

事實上,即使你生活在海洋中,用肺呼吸也比用鼻涕蟲呼吸要好,至少對鲸魚來說是這樣。

鰓使動物能夠在水下獲得氧氣,這是一個完美的适應性進化特征。但水的含氧量非常低,對于海水來說,它隻有4.59~8.72毫米/升——大約4.59~8.72英寸,而這個比例在空氣中是21%(大氣中的氧含量)。

呼吸空氣使生物體獲得數十倍以上的氧氣,這顯然是一種更有效的肺部呼吸方式,鲸魚需要增加代謝率,因為它們是恒溫動物。

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注意:抹香鲸以這種方式垂直睡眠,它們可以一口氣睡2個小時

同時,這也是為什麼今天的鲸魚能長得這麼大,要知道最大的藍鲸可以達到200噸,如果用鰓呼吸,幾乎不可能維持這麼大身體的溫度。

用肺呼吸是他們的祖先在數億年的時間裡獲得的,鲸魚沒有理由放棄他們的肺部,而自然界中的所有生物都是有效的,而有了肺部,它們自然就沒有鰓。

然而,鲸魚确實會做出許多适應性改變,以便能夠在水中愉快地狩獵。

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鲸魚如何在水下長時間捕獵?

對于普通人來說,一分鐘的呼吸很難估計,但抹香鲸可以在水下停留2個小時,屏住呼吸直到狩獵完成并回到水面。

鲸魚不是通過改善肺部或獲得更多的氧氣來做到這一點,而是通過儲存氧氣來實作這一點。

我們從空氣中通過肺部獲得氧氣,然後通過血液将其輸送到全身,血紅蛋白被用作運輸氧氣的手段,當我們氩氣時,主要是血紅蛋白中氧氣的消耗使我們保持一定時間的清醒。

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鲸魚是一樣的,但它們血液中的血紅蛋白大約是人類的兩倍,這表明它們可以儲存更多的氧氣。

不僅如此,它們的血液水準也比陸生生物高得多,人類的血液大約是身體大小的7%,但鲸魚有10-20%的血液,這相當于它們氧氣的存儲空間更多。

氧氣的另一個儲存空間是肌肉中的肌紅蛋白,鲸魚肌肉中的肌紅蛋白比它們的陸地親戚高出30%,使它們能夠儲存約35%的氧氣。

除了儲存氧氣外,鲸魚也非常"省氧",例如,它們有意識地控制心率,減少流向一些非必需器官和肌肉的血液。

總之,很明顯,鲸魚不需要鰓,并且有辦法在水中生活得更好甚至更好,這就是為什麼它們現在沒有鰓的原因,而且很有可能是将來不會有鰓。