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为什么动物会进化出四种骨骼?

2021-11-17 17:33

来源:国家地理|355人参与|0评论

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不少物种都拥有内骨骼,而飞鱼给人的印象最为深刻。内骨骼通常由骨头组成,出现在脊椎动物体内,包括哺乳动物、鸟类、爬行动物、两栖动物和鱼类。

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为什么动物会进化出四种骨骼?

这是1910年前后拍摄的膨腹海马X光照片,从中可见它们的外骨骼,这在鱼类中很罕见。摄影:EDWARD CHARLES LE GRICE, LE GRICE, GETTY IMAGES

撰文:LIZ LANGLEY

从赫克力士长戟大兜虫坚硬的天然护甲,到海葵柔软的充满液体的触手,大自然孕育出了各种各样的骨骼。

飞鱼以精彩绝伦的杂技著称:它们会冲出海面,在空中滑翔900多米。

飞鱼为什么飞?是为了躲避捕食者。它们“本质上就是海洋爆米花”,西肯塔基大学的省文物学家、《骨骼的故事》(The Skeleton Revealed)一书的作者Steve Huskey说:“谁都可以吃它们。”

飞鱼飞翔的关键在于强大的脊柱和尾部,强有力的肌肉因此得以固定,鱼尾像螺旋桨一样前后摆动。骨头使鱼鳍得以延展,并起到类似鸟类翅膀的作用。

不少物种都拥有内骨骼,而飞鱼给人的印象最为深刻。内骨骼通常由骨头组成,出现在脊椎动物体内,包括哺乳动物、鸟类、爬行动物、两栖动物和鱼类。

这些结构存储着钙等重要矿物质,为身体提供支撑,保护内脏,并借助骨骼肌肉进行运动;骨骼肌肉通过肌腱附着在骨头上。关节,即两块骨头的连接处,为不易弯曲的骨骼带来了灵活性,想象一下在树之间自由游走的灵长类动物。

内骨骼最为有名,不过动物王国里还有另外三种类型的骨骼:外骨骼、软骨外骨骼和流体静力骨骼。

各种各样的骨骼

内骨骼经过进化,已经适应了主人的生活方式。例如,鸟类的骨头里充满了气囊,这样不仅能减轻负重,还有助于它们在飞行中吸收更多氧气。

龟壳,是与动物的肩胛骨和脊骨融合在一起的骨板,实际上是进化过程中变形的肋骨。龟壳有助于保护这些行动迟缓且脆弱的动物,防止被捕食者猎杀,但最近的研究表明,它最初由坚固基底进化而来,古代乌龟可以借助龟壳进行挖掘,并避开高温。

一些脊椎动物,尤其是雄性,其头骨具有更多特性。例如,雄性高冠变色龙的头部长有彩色骨板,可能是为了吸引雌性。在鹿科动物中,比如驼鹿和加拿大马鹿,雄性长有鹿角(头骨的延伸),既是为了展现统治地位,也是为了吸引配偶。

虽然鹿角每年都会脱落、重新生长,但牛角被坚硬的天然物质角蛋白所包围,不会脱落,除了叉角羚。一些雌性也有角,但通常比雄性的小。

为什么动物会进化出四种骨骼?

1890年拍摄的身份不明的蜥蜴的X光照片,突显了它的内骨骼。这在大多数鸟类、爬行动物、两栖动物和鱼类中较为常见。摄影:GEORGE EASTMAN HOUSE, EDER & VALENTA, GETTY IMAGES

内置盔甲

外骨骼是保护节肢动物的坚硬外壳,比如昆虫、甲壳动物和蜘蛛。

在面对捕食者时,这种天然护甲是一种非常有效的防御手段,很多捕食者都无法咬穿外骨骼,Huskey说:“人无我有。”

拉丁美洲加勒比地区的赫克力士长戟大兜虫的外骨骼尤其坚硬。雄性长着两个长角,用来争夺雌性。狭路相逢,两只昆虫会像比试马上枪术一样厮打在一起,当一方用角举起另一方,并把它摔倒在地,则宣告胜利。雌性也青睐角更长的雄性,这是身强体壮的标志。

贝壳是最漂亮的外骨骼,可以保护身体柔软的软体动物,比如海螺、扇贝、鸡心螺。软体动物的最外层被称为外套膜,会分泌蛋白质和矿物质,形成独特的骨骼庇护所。

外骨骼的缺点是太硬了,动物无法生长。例如,龙虾的壳可以抵御饥肠辘辘的海豹,但当龙虾长大时,它必须蜕去原来的外壳,长出新壳。新壳需要几周时间才能完全变硬,在此期间,龙虾在面对捕食者时非常脆弱。

为什么动物会进化出四种骨骼?

板鳃亚纲鱼类有软骨内骨骼,比如这条背棘鳐。摄影:SCIENCE PHOTO LIBRARY, ALAMY

专为游泳打造的骨骼

鲨鱼、鳐鱼和乔氏银鲛都属于板鳃亚纲,这种鱼的内骨骼完全由软骨组成。软骨是一种强壮又灵活的组织,比骨头硬,但更轻,可以让鱼游得很快,同时节省体能。

包括人类在内,很多有内骨骼的脊椎动物也有软骨,它们赋予了鼻子和耳朵形状。在发育早期,大多数哺乳动物胎儿都有软骨骨骼,并慢慢骨化成为骨头。

一直以来,人们认为现代鲨鱼源于尚未进化出骨头的原始祖先。然而,2015年,科学家宣布在3.8亿年前的鲨鱼化石内发现了骨细胞,这意味着鲨鱼的祖先有骨头,但后来失去了骨头,由更轻便的软骨取而代之。

板鳃亚纲鱼类身上还覆盖着所谓的盾鳞。这是一种有纹理的鳞片,如果用错误的方式摩擦,它们就会像砂纸一样;而排列好之后,可以减小阻力,提高游速。

2017年的一项研究发现,有一种鳐鱼的盾鳞来自与牙齿相同的细胞。这印证了一种假设,即古代鱼类的鳞片可能进化成了我们今天的牙齿。牙齿被认为是骨骼的一部分,但它们由一种坚硬的矿物质牙釉质组成,而非骨头。

骨骼骤变

流体静力骨骼是无脊椎动物体内充满液体的柱状物或腔体,无脊椎动物包括水母、扁虫、线虫和蚯蚓等环节动物。肌肉和结缔组织围绕腔体,形成坚固的体壁,北卡罗来纳大学的生物学家Bill Kier解释说。

蚯蚓的体腔充满了玫瑰色的体液,本质上就像血液一样,Kier说。这些腔体分段,这样蚯蚓可以独立扩张和收缩肌肉,产生运动波,让自己在地面上蠕动。

海葵的内腔周围的肌肉也会一起运作,让海葵移动,躲避潜在的捕食者,这与我们的肱二头肌和肱三头肌调动上臂类似。

一些动物,比如蓝蟹,在脆弱的状态中,可以从外骨骼切临时换成流体静力骨骼。在2013年的一项研究中,Kier和同事Jennifer Taylor发现,在蜕壳期间,蓝蟹体内的水压大幅增加,柔软的身体内的液体就起到了流体静力骨骼的作用,可以让蓝蟹移动。大约三天后,新形成的外骨骼足够坚硬,蓝蟹又会恢复原状。

Huskey说,骨骼是进化过程中令人难以置信的壮举,每一小块都对动物、对动物在环境中找到正确的行进方向至关重要。

“没有骨骼,我们只是一大袋躺在那里、在地板上抽搐的肌肉,”他说:“没有骨骼,我们哪里也去不了;骨骼带来了运动、觅食和我们喜欢的各种行为。”

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