如果你曾经见过海豚游泳，你可能会好奇，为什么它们游泳时身体会上下摆动，而不是像鱼一样左右摆动。鲸类(鲸、海豚和鼠海豚组成的一类)虽然身体像鱼，但都是哺乳动物，祖先都是陆生动物，与猫、狗、老鼠、大象、牛和人类一样。

然而，与陆地上的近亲不同，鲸类动物为了在水生环境中繁衍生息，其身体和骨骼结构发生了深刻的变化，包括后肢的减少以及鳍状肢和尾鳍的进化，从而形成了流线型的身体。

尽管有这些适应性，鲸类动物仍保留了它们陆地起源的关键特征，例如肺和用乳汁哺育幼崽的能力。至于那些起伏的运动，它们还保留了类似的垂直运动，这使得陆地哺乳动物能够跑得非常快。但大约5300万年前从陆地到水的转变如何影响它们的脊柱(骨骼的核心元素)的构造和功能仍然是个谜。

现在，在《自然通讯》上发表的一项研究中，一个国际研究小组阐明了这些海洋哺乳动物的祖先在适应水中生活时它们的脊椎是如何重新组织的。

研究小组发现，与之前的假设相反，鲸类脊柱虽然形状沿其长度方向更加均匀，但其区域化程度却很高。然而，脊柱的区域化方式与陆地哺乳动物截然不同。

“当它们的祖先回到水中时，鲸鱼和海豚失去了后腿，并发展出了像鱼一样的身体，”主要作者、哈佛大学有机体和进化生物学系和英国曼彻斯特大学地球与环境科学系的玛丽居里研究员阿曼丁吉莱博士说。

“但这种形态的变化也意味着脊柱现在是驱动水生环境中运动的骨骼的主要部分。”

在陆地上移动的陆生哺乳动物的脊柱必须提供支撑，以帮助腿部承受体重。当鲸类动物从陆地过渡到水中时，重力从空气转移到浮力水，释放了承受体重的压力。新的身体结构和在水中移动所需的动作意味着这些动物的脊柱必须以某种方式移动以适应它们的新环境。

先前的研究从形态学角度研究了脊椎，着眼于椎骨形态的变化。在2018年发表在《科学》杂志上的一篇论文中，合著者斯蒂芬妮·皮尔斯教授和卡特里娜·琼斯博士使用一种新颖的统计方法探索了哺乳动物脊椎的复杂进化历史，这种方法最初是为研究蛇类脊椎而开发的。

皮尔斯和琼斯修改了模型以适应他们的研究，这使他们能够证明，与两栖动物和爬行动物相比，陆地哺乳动物的脊柱具有许多不同的区域。

鲸类脊椎构造的嵌套区域假说：嵌套区域假说提出了一个模型，其中鲸类脊椎分为前尾段和尾段，每个段进一步细分为所有鲸类共有的多个模块。每个模块可以进一步细分为多个区域，所有现存鲸类的颈后区域最少有六个，最多有九个。图片来源：AmandineGillet

“要理解鲸鱼和海豚身上如何存在陆地哺乳动物的某些部位是一个挑战，其中一个原因是尽管它们是从鲸鱼和海豚进化而来的，但从形态上看，它们的脊椎骨看起来非常不同，”哈佛大学有机体和进化生物学教授、这项研究的资深作者皮尔斯说。

“它们失去了骶骨，即支撑后腿的一串融合的椎骨，也是区分尾部和身体其他部位的关键标志。”

鲸类的椎骨更加复杂，因为它们的解剖特征变得更加同质。因此，与陆地哺乳动物的极端转变相比，从一个椎骨到另一个椎骨的转变是渐进的，这使得识别区域变得更加困难。

“它们不仅拥有非常相似的椎骨，而且某些物种，特别是鼠海豚和海豚，拥有的椎骨比陆地哺乳动物多得多，有些物种拥有近100块椎骨，”英国曼彻斯特大学地球与环境科学系校长研究员琼斯说。

“这使得将陆地哺乳动物中发现的区域转化为鲸鱼和海豚的脊椎变得非常具有挑战性。”

用于识别区域化模式的传统统计方法要求标本中的元素数量完全相同。皮尔斯和琼斯实施的统计方法(称为“区域”)使他们能够通过单独分析每个标本的主干来克服这个问题。

虽然该方法对于陆地哺乳动物的受限脊椎很有效，但对于鲸类的大量椎骨，计算起来却很困难。Gillet与哈佛大学定量社会科学研究所的数据科学服务团队合作重写了代码，使该程序能够在几分钟内在笔记本电脑上获得结果。研究人员将这个名为MorphoRegions的新程序作为计算软件R包向科学界公开。

“这绝对是我们研究的最大进展之一，”皮尔斯说。“阿曼丁花了几个月的时间完善这个程序，以便它可以分析高重复单元的系统而不会导致计算机崩溃。”

Gillet将MorphoRegions方法应用于她之前在攻读博士学位期间收集的数据。她访问了欧洲、南非和美国的六家博物馆，收集了62种鲸类动物的139个标本的形态数据，占近90种现存鲸类动物的三分之二。总共，Gillet测量了7,500块椎骨，并将它们放入分析管道中。

椎骨数量与栖息地区域之间的相关性：生活在浅水区(左)和公海区(右)的物种的脊椎骨图片显示了椎骨数量、区域数量(用彩色框表示)和模块数量(用区域下方的彩色线表示)的差异。图片来源：AmandineGillet

吉列说：“我们的大型数据集使我们能够证明，鲸类脊柱的组织不仅与陆地哺乳动物不同，而且鲸类内部的模式也各不相同，因为我们根据不同物种确定了六到九个区域。”

“然后，我们从那里开始寻找不同地区的共同点，并确定了所有鲸类动物共有的模式，这可以通过我们的嵌套区域假说来总结。”

该团队提出的假设引入了脊椎的层次结构，首先确定了前尾节和尾节。然后，将这两个节段分别划分为所有鲸类共有的几个模块：颈椎、前胸椎、胸腰椎、后腰椎、尾椎、脚椎和尾鳍。接下来，根据物种的不同，每个模块进一步细分为1到4个区域，沿着脊椎，颈后区域最少有6个，最多有9个。

“令人惊讶的是，这向我们表明，与陆地哺乳动物相比，尾前节的区域较少，而尾部区域则较多，”皮尔斯说。“陆地哺乳动物用尾巴来发挥各种不同的功能，但通常不像鲸类那样产生推进力。尾巴有更多的区域可能允许在尾巴的特定区域内移动。”

吉列说：“根据之前的观察研究，我们知道鲸鱼、海豚和鼠海豚的游泳方式并不完全相同。”

“有些物种可能需要游得慢，但需要更灵活地捕捉猎物，或者因为它生活在有许多障碍物的浅水环境中。生活在公海的其他物种可能需要能够快速直线游动，而不需要太多的身体灵活性。”

因此，研究小组探索了脊椎骨各区域与栖息地和游泳速度之间的关系。他们发现，生活在离海岸较远的近海物种拥有更多的脊椎骨、更多的脊椎骨区域和更快的爆发游泳速度。生活在河流和海湾的物种，即靠近海岸的物种拥有较少的脊椎骨和脊椎骨区域，但它们的脊椎骨区域彼此之间差异较大，这可能使它们具有更大的机动性。

“这是一项精彩的研究，”皮尔斯说。“你可以从博物馆里布满灰尘的骨骼，看到最具魅力的哺乳动物群体之一的脊柱是如何因其水生环境而重新形成的。我们可以直接将其与现存动物的栖息地和游泳能力联系起来。”

通过更好地了解鲸类脊柱的组织结构，研究人员计划下一步利用实验室收集的有关脊柱柔韧性的实验数据，着手了解这些形态区域与功能之间的关系。

这些从现代分类群中收集的数据应该可以让他们推断出化石鲸鱼的游泳能力，并有助于了解脊椎骨如何从陆地上的承重结构转变为水中的推进器官。

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