问题

鲸鱼的尾鳍是由尾巴还是后肢进化而来的?

回答
鲸鱼那标志性的、拍打着海浪前行的尾鳍,实际上是它们漫长演化历程中一个令人惊叹的奇迹。要弄清楚它究竟是来自尾巴还是后肢,我们需要回到鲸鱼那久远的陆地祖先身上,追溯那段令人难以置信的转变。

答案是:鲸鱼的尾鳍,也就是我们看到的那个垂直于身体、呈“瓦片状”或“美人鱼尾”的结构,是由它们的尾巴进化而来的。 而它们的后肢,虽然在早期的水生祖先身上还保留着一些痕迹,但最终完全退化消失了。

这可不是一个小小的进化变化,而是整个身体形态的颠覆性重塑。要理解这一点,我们得把时间拨回到大约五千万年前。

陆地祖先的痕迹:曾经的四条腿

鲸鱼的祖先并非生来就拥抱海洋。它们是生活在陆地上的偶蹄类哺乳动物,也就是我们今天所说的“有蹄类动物”,更确切地说,是与河马有近亲关系的生物。想象一下,它们更像是某种长着蹄子、适应陆地生活的四足动物。

这些早期的陆地哺乳动物在适应环境的过程中,一部分种群开始将目光投向了水域,可能是为了寻找新的食物来源,也可能是为了躲避陆地上的威胁。于是,它们开始向半水生生活过渡。

向水生环境的转变:身体的适应

随着生活越来越离不开水,这些动物的身体开始发生一系列深刻的变化。

嗅觉的改变: 陆地上的嗅觉对它们来说不再是唯一的生存关键,取而代之的是对水中声音和水流的感知能力的提升。
骨骼结构的调整: 为了更有效地在水中移动,身体变得更流线型,四肢也开始发生变化。
后肢的退化: 这是至关重要的一步。后肢在水中不如前肢那样重要,它们逐渐缩短、变小,最终在进化过程中几乎完全消失。在一些现代鲸鱼的骨骼化石中,我们还能偶尔发现一些退化的骨盆和后肢骨骼的痕迹,它们就像是“祖先留下的信物”,默默诉说着它们曾经的陆地生涯。例如,一些抹香鲸的骨盆非常小,几乎不与脊柱相连,更像是一个被废弃的附肢。

尾巴的崛起:动力的核心

那么,是什么取代了后肢,成为推动鲸鱼在水中前进的主要动力呢?答案就是尾巴。

在陆地上,尾巴的作用可能更多是平衡或交流。但一旦进入水中,这个有力的器官就获得了全新的生命。

1. 尾巴的伸长与强化: 随着时间的推移,鲸鱼的尾巴开始变得越来越长、越来越粗壮。它不再是简单的平衡器,而是演变成一个强大的肌肉结构。
2. 尾鳍的形成: 最关键的变化是,尾巴的末端逐渐分化,形成了我们今天看到的扁平、宽阔的尾鳍。这个尾鳍在进化过程中垂直于身体,这与鱼类的尾鳍(通常是水平的)是截然不同的。这种垂直的尾鳍形状,让鲸鱼能够通过左右大幅度的摆动尾巴来产生巨大的向前推力。想象一下,用你的腰部力量去驱动一个巨大的桨,就是这个道理。
3. 肌肉的重新分布: 驱动尾鳍的强大肌肉群也随着尾巴的演化而发展壮大,集中在身体后部,为每一次有力的划水提供能量。

为什么是尾巴,而不是后肢?

从生物力学的角度看,尾巴的优势在于它与脊柱和躯干的连接更为紧密,能够更有效地将整个身体的力量传递到水中。后肢虽然在陆地上是主要的运动器官,但它们是附着在骨盆上的,对于产生像鲸鱼这样大幅度的、连续的左右摆动来说,不如直接连接到脊柱的尾巴来得高效和有力。

想象一下,如果你想用你的脚在水里划水,你的动作会受到关节的限制,也无法产生那么大的摆动幅度。而用尾巴,你可以像船桨一样,通过全身的协调发力来驱动前进。

总结一下整个过程:

鲸鱼的祖先是陆地上的四足哺乳动物。
它们开始适应水生生活,身体发生一系列改变。
后肢在这一过程中逐渐退化,最终消失(仅留下微小的退化骨骼痕迹)。
尾巴则变得越来越强壮,并且在其末端发展出了垂直的尾鳍。
这个尾鳍成为了鲸鱼在水中高效游泳的主要动力来源。

所以,当你看到鲸鱼优雅地跃出水面,或者在深海中穿梭时,请记住,那壮丽的尾鳍,是它们千万年前那个陆地祖先的尾巴,经过无数代生命为了适应海洋而进行的伟大改造和升华。后肢的故事则是一个关于告别,一个关于将曾经的运动器官“退休”,转而发展出新的、更适合水生环境的动力系统的动人篇章。

网友意见

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嗯许多现生鲸类的解剖上还可以看到后肢带骨的遗迹,很明显可以看出尾鳍和后肢没什么关系。

宽吻海豚(

Tursiops truncatus

)的示意图,reduced pelvis那里就是后肢带骨遗迹(引自J. Gatesy et al.,2013)

再扯点和问题关系不是特别大的东西……所有现生的正常鲸鱼成体都不具有外显的后肢,这点在哺乳动物里面是很特殊的,然后下面就从演化和发育方面看看鲸类的后肢。

1.系统演化上鲸类后肢的变化

下图是J. Gatesy等人结合了分子的和古生物的数据做出来的一个系统发生树,可以看到鲸类其实是嵌在偶蹄目里面的一个类群。具有一定水生习性的河马则是鲸类的姐妹群。

偶蹄目的系统发生树(Cetacea,鲸下目;Odontoceti,齿鲸小目;Mysticeti,须鲸小目;Hippopotamidae,河马科;引自J. Gatesy et al.,2013)

在已灭绝的鲸类中,最基部的巴基鲸(

Pakicetus

)具有和它们的陆生近亲差不多强壮的后肢;之后像罗德候鲸(

Rodhocetus

)这样的古鲸仍然具有较大的后肢,不过其股骨相对巴基鲸已经变短了;再之后的鲸类冠类群的姐妹群龙王鲸类(basilosaurids)的后肢已经相对很小了,看起来已经不能支持它们在陆地上运动了,此时它们已经变成了专性的水生生物。这样看来鲸鱼后肢的退化应该至少经历了尺寸减小和完全没入体壁内两个阶段。



现代鲸类(以蓝鲸为例)的进化蓝图(引自J. Gatesy et al.,2013)

列几个重要的变化吧,C=进入淡水,E=强壮的尾巴,F-G=进入海水,L=荐髂关节消失,M1=极短的后肢,M2=尾鳍出现

2.个体发育上鲸类后肢的变化

胚胎时期的鲸类其实是可以看到后肢芽的,然而这些肢芽后来却停止发育并退化掉了。羊膜动物中顶外胚层嵴(AER)和极化活动区(ZPA)是最开始的2个肢芽中控制附肢发育的信号中心。

点斑原海豚(Stenella attenuata)在胚胎发育的Carnegie 13期时,其后肢芽上是有AER的,然而过了Carnegie 15期以后,AER很快就消失了,后肢芽也随之减小。随后的实验表明这个的AER是有功能的,然而作用很短暂,而前肢芽上的AER则能持续相对比较久。不过研究者推测AER的提前终止并不是后肢退化最根本的原因。

点斑原海豚胚胎后肢芽处的横切;A、B图为Carnegie 15期,后肢芽发育最大;C、D为Carnegie 16期,AER消失,后肢芽开始退化(hl,后肢芽;nt,神经管;no,脊索;vc,脊柱;引自J. G. M. Thewissen et al.,2006)

与此相似,Carnegie 14-15期,点斑原海豚的前肢芽是能找到产生Shh的ZPA的,然而在后肢芽中却找不到能产生Shh的ZPA,说明在点斑原海豚中后肢ZPA就连初始建立都被干扰了。

有趣的是,缺乏Shh表达的小鼠也表现出了与鲸类非常相似的附肢:附肢的远端结构消失了,只剩下嵌在体壁内的部分肢骨。因此研究者推断鲸类中退化的后肢很大程度上可以归因于ZPA的消失,即Shh的表达减少。

嗯就酱~

主要参考文献

Gatesy, John, et al. "A phylogenetic blueprint for a modern whale." Molecular phylogenetics and evolution 66.2 (2013): 479-506.

Thewissen, J. G. M., et al. "Developmental basis for hind-limb loss in dolphins and origin of the cetacean bodyplan." Proceedings of the National Academy of Sciences 103.22 (2006): 8414-8418.

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