海洋中的智慧（一）：海豚游泳的秘密

文/卡爾·齊默　譯/靳 萌　編輯/吳冠宇

海洋中的智慧（一）：海豚游泳的秘密

文/卡爾·齊默譯/靳 萌編輯/吳冠宇

也許熱血動物身上的能量降低了周圍海水的黏性，使其不易于形成漩渦。也許海豚的皮膚有一些脊，可以使海水沿著其側(cè)腹流動。也許其眼睛的膠質(zhì)分泌物在身體外表形成了涂層。但是沒有人能夠揭開海豚的游泳之謎。

當?shù)貢r間2014年3月24日，沖浪愛好者被拍到他和海豚一起沖浪的鏡頭。　攝影/Matt Hutton/Whitehotpix/東方IC

我們終于開始了解生物數(shù)億年的適應過程、胚胎變化、與細菌之間的合作以及諸如耳朵、手指這一類器官的形成與變化是如何讓肉鰭魚得以永遠生活在陸地上的。四足動物仍然處于向這一結(jié)果進化的過程中。看看鯨和海豚，它們是如何在海洋中自在遨游，又如何捕獲比我們所有拖網(wǎng)捕魚船捕的還要多的魚。它們的大腦很大，因此它們能夠在占世界3/4面積的海洋中遨游，隨機應變。人類所需的探測用具它們一個也不需要，還可以從所捕食的動物和空氣的水蒸氣中獲取所需的淡水。然而，盡管如此，它們依然屬于四足動物，甚至是像我們?nèi)祟愐粯拥牟溉閯游铩Ｕl敢于去追蹤這些動物在陸地上的祖先呢？

一個多世紀以來，大多數(shù)的進化生物學家都在回避這個挑戰(zhàn)。因為他們沒有什么證據(jù)來進行研究。然而20世紀80至90年代間，古生物學家、遺傳學家、機能性形態(tài)學家、比較心理學家和胚胎學家之間出現(xiàn)了聯(lián)合，對這個問題提出了挑戰(zhàn)。鯨的興盛表明宏觀進化是如何既產(chǎn)生新結(jié)構(gòu)又同時消滅舊結(jié)構(gòu)，如何通過前期適應性變化進行修補之后又集結(jié)在一起成為新的身體結(jié)構(gòu)；甚至還表明了宏觀進化最終是如何創(chuàng)造了智力——這個最難以捉摸的生命特點。但是在追溯鯨類動物起源本質(zhì)之前，我們有必要在它的表面停留一會兒——想一想鯨類動物所具有的復雜而美麗的身體構(gòu)造——進而了解宏觀進化究竟創(chuàng)造了什么。

目前，我們已知的地球上的79種現(xiàn)存鯨類動物，都分布在海洋中。它們由于擁有一些其他動物所沒有的明顯特點被歸為一類。例如，每種鯨類動物都是通過上下擺動后背，將尾巴抬起而移動的，并且用和肩膀相連的鰭狀肢控制方向。它們的每次呼吸都是由一個呼吸孔完成的。盡管鯨類動物都差不多，它們也分成截然不同的兩類。其亞目之一就是須鯨亞目或是須鯨類，包括諸如身長100英尺，體重200噸的藍鯨——這是個真正的龐然大物，以及33英尺的小型鯨類——小須鯨。須鯨亞目從上垂下的鯨須，在上顎處彎曲的角狀簾子，成為歸于這個亞目的依據(jù)。另一個亞目名為齒鯨亞目，又稱齒鯨，包括海豚、小鯨、抹香鯨和虎鯨以及其他外來品種，比如蝝鯨和一角鯨。

動物們的捕食方法促進了它們?nèi)郝涞男纬桑L類動物也不例外。許多須鯨類動物在攝食基礎(chǔ)上隨意組合，然后獨自遷徙到另一水域生活，在那兒它們會再相遇，并進行交配。另一方面，齒鯨通常形成大的群落，這個群落能夠持續(xù)幾十年，它們能像狼或者人類一樣，以合作的方式進行捕食。觀察自然界中的鯨很困難，因此鯨類動物的大多數(shù)群體的生活細節(jié)仍然是一個謎。蝝鯨一般在廣闊的海洋和深水區(qū)域活動，因此只有當它們偶爾出現(xiàn)在某個遙遠的海岸沙灘時我們才能了解這個種類的動物。

即使鯨類學者在海上花了大量的時間，試圖解密鯨的社會生活，他們?nèi)匀粺o法回答鯨如何游泳，如何在水下生存，或是如何進行思考之類的問題。這些知識只能從對已捕獲的鯨類動物所做的實驗中獲得。許多小鯨和海豚在離開海洋后的表現(xiàn)都和正常的群體生活行為相距甚遠。事實上，在所有的鯨類動物中，只有一種是人類在所有方面諸如心理方面、流體動力方面、結(jié)構(gòu)方面和生理調(diào)節(jié)方面所熟知的，那就是寬吻海豚。寬吻海豚也是非研究學者們了解最多的鯨類動物，它們就是在水族館的表演中將觀眾吸引到露天看臺的動物。有少數(shù)動物成為科學研究的對象，例如果蠅、田鼠、斑馬魚和線蟲，但只有寬吻海豚不只是被博士后們所鐘愛，更被人們所喜愛。

當一只寬吻海豚在游泳時，不論它是在海水表面快游還是潛入600英尺深的水下，看上去都毫不費力，很難想象它是一只有著高新陳代謝率和需要氧氣來進行熱血新陳代謝的哺乳動物。

為了成為優(yōu)雅的游泳選手，動物首先需要一個適合的體形。如果水中游動的物體有個很丑陋的外形，例如是一塊木頭，海水就會擊碎它的寬面，將其沖入激流中，在那兒木塊碎片會被卷進漩渦中。這些漩渦抵消了木塊的前進動力，木塊很快就會停止滑動。但是如果這個物體是長的、圓的、錐形的——換句話說，是只海豚，海水就會順著其輪廓流暢地滑過。海豚的體形不會使其永無阻力地運動，但其運動所遇到的阻力要比方頭方腦的鯨類動物少得多。

海豚是靠尾巴的動力來游泳的。脊椎末端的兩側(cè)各伸出兩個由結(jié)締組織構(gòu)成的長尾片，它們逐漸變細變長，形成翼狀的尖端。它們工作的流體力學原理實際上和鳥兒翅膀的空氣動力學原理差不多。當鳥兒向下扇動翅膀時，身體微微向上傾斜，這樣周圍的空氣運動失衡從而產(chǎn)生了一股向上向前的動力。通過調(diào)動其背部和身體兩側(cè)的肌肉，海豚向下擺動尾巴，此時它的尾片處在同樣的狀態(tài)，從而產(chǎn)生了同樣的效果。然而，對于鳥兒的向上運動，同樣的動力可以使它向前向下運動，但是在鳥兒和地球重力的不斷斗爭中，它是不可能使自己朝下運動的。海豚則不用擔心是否會撞向海底：因為運動時，它幾乎是浮動著的，好似太空中的宇航員。它可以抬起尾巴推動自己前進，就像一只倒過來的鳥兒。

對于海豚如何游泳的真正研究只有60多年的歷史。1936年，動物運動方面的專家詹姆斯·格雷(James Gray)爵士，研究了一部展示海豚在印度洋里以7秒的時間迅速游過136英尺長輪船的影片。他計算了一下速度，為每小時23英里。格雷制定了一個海豚以該速度游泳時產(chǎn)生的后拉力，以及克服該后拉力并保持前進動力所需能量的計算。計算結(jié)果為其能量是一般哺乳動物在屏住呼吸時肌肉所能產(chǎn)生的能量的7倍多。格雷所能想到的解決這個似是而非的問題的唯一方法就是接受這樣一個觀點：海豚以比物理學所能預測到的低得多的阻力使海水流過其身體，從而使其所受的后拉力保持在較低水平。

當?shù)貢r間2013年8月7日，美國加州，橡皮艇漂流愛好者在悠閑地曬太陽，但一頭40英尺長的鯨在橡皮艇附近突然竄起，幾乎就要碰到已經(jīng)震驚的人。　攝影/東方IC

從最初被命名開始，后來的生物學家們一直對格雷的這種似是而非的話困惑不解。當冷戰(zhàn)開始時，美國和蘇聯(lián)海軍也開始研究格雷的這種觀點。他們認為如果能解決這一問題，就能設(shè)計出在水中安靜并以低能耗前進的潛水艇。也許熱血動物身上的能量降低了周圍海水的黏性，使其不易于形成漩渦。也許海豚的皮膚有一些脊，可以使海水沿著其側(cè)腹流動。也許其眼睛的膠質(zhì)分泌物在身體外表形成了涂層。美國海軍懷疑海豚橡膠似的皮膚能夠抑制大動蕩海浪的形成，從而發(fā)明了橡膠化的涂料。但是沒有人能夠揭開海豚的游泳之謎。現(xiàn)在，盡管俄羅斯的一些學者們?nèi)栽谂Γ蠖鄶?shù)的流體動力學專家們認為揭開格雷的這種似是而非的話是傻子才做的事。

海豚除了明顯的體形特點外，沒有其他流體動力方面的秘密，它們也會遇到動蕩和相當大的后拉力。它們的皮膚或是身體形狀并不能創(chuàng)造奇跡，它們必須讓肌肉產(chǎn)生巨大的動力從而在水中游動。與其說海豚游泳是一個誰能解開誰就能贏得冷戰(zhàn)勝利的秘密，不如說這點毫無秘密可言，正是由于很普通才使人們產(chǎn)生了迷惑。

當然，如果動物沒有方法推動，即使是最精妙的流體動力外形也是沒用的。當生理學家們注視著游泳中的寬吻海豚時，他們經(jīng)常會想是否這種動物有著有效發(fā)揮能量的特殊方法。僅僅是在最近，他們才開始用可靠的方法測量海豚的生理學。他們通過吸盤把監(jiān)視器固定在海豚的身上，以此來測量海豚的心率，然后通過該心率計算出它們的耗氧量。通過把該氧氣量轉(zhuǎn)化為海豚游泳時的速度，生理學家們得出了一個數(shù)據(jù)，即著名的“交通消耗”。從技術(shù)角度而言，這是指每千克體重每千米消耗的氧氣毫升量。從非技術(shù)角度而言，這類似于汽車消耗每加侖汽油所行駛的英里數(shù)，它反映了某個體重的動物在規(guī)定范圍內(nèi)所需的能量。生理學家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)海豚是所有哺乳動物中運動耗氧量最少的，僅為同等大小魚的耗氧量的2倍。人類則為20倍之多。然而，如果你將游泳的海豚和陸地上奔跑的哺乳動物進行對比，前者的效率就沒有那么異常了，陸地每個動物的運動都各有特色。在這樣的情形下，一只海豚也就和一頭公牛差不多。

鯨類學者仍然無法解答海豚是如何這么好地利用其流體動力和生理來游泳的。部分原因是它們使用了許多技巧來有效地在海水中前進。野生海豚以在輪船形成的渦流中沖浪而著稱，有時它們僅在水面以下一點點的地方游泳或是在浪尖上跳躍。看起來它們這樣做是在嬉戲，但是沖浪可以減少損耗：海豚每小時沖浪8英里的消耗和每小時游泳5英里的消耗是一樣的。在海上有船航行之前的很長時間里，海豚可能就已經(jīng)抓住這種廉價的機會，在風或是大鯨掀起的浪尖上游泳。海面不只是海豚耍把戲的唯一地方：在潛入約150英尺的深水時，它們的胸腔會壓縮，肺也會受到擠壓而關(guān)閉。它們漸漸失去浮力，像石頭般沉下去。看起來海豚們好像很了解自己這一技巧，因為當它們失去浮力時，就不再游泳，直到到達了想去的深度。

其他的技巧是身體結(jié)構(gòu)方面的。和哺乳動物一樣，寬吻海豚也需要保持一定的高體溫——這在水中是很難做到的，因為在熱帶緯度以外的其他地方，海水會帶走動物身上的熱量，和所有的鯨類動物一樣，海豚通過層層的鯨脂層來保溫。自出生以來，它們幾乎從不停止運動，即使睡覺時也在游泳。每次它們只關(guān)閉半個大腦，這樣永無止境的工作可以保持它們的體溫。鯨脂很好地保存了運動產(chǎn)生的熱，游得太厲害的話，消耗的這些能量也能使海豚死亡。

我們陸地動物也不時地會碰到過熱的危險。為了除去這些多余的熱量，我們有一組特殊的血管。這些血管從我們手臂和腿上的主動脈分出去，分布于皮膚下面，這樣就能很快地將熱量散發(fā)到空氣中去。如果我們變得很冷，身體就會在窒息點關(guān)閉這些血管，造成手指和腳趾冰冷但保持了身體中的熱量。海豚有相似的血管，這些血管貫穿于脂肪層，分布在尾片和鰭的皮膚之下。在游動了很久之后，它們就打開這些血管，散出熱量。

過熱對海豚造成的威脅是陸地上的動物永遠也不會面臨的，例如，游泳會使雄性海豚不育。精子只能在低于哺乳動物身體中心溫度幾度的溫度下發(fā)育存活。因為睪丸長在游泳時要運用的大塊肌肉之間，附近充滿熱血的大動脈，通過血管分支將熱血提供給這些肌肉。這種結(jié)構(gòu)安排和為了保持一盆冰淇淋不化凍卻將其放在發(fā)動機組上一樣沒有意義。

雄性海豚通過變更其循環(huán)路線來保持生育能力。當血液流至尾巴和鰭處并釋放出熱量后，由靜脈直接流到其生殖腺。在生殖腺處，靜脈分成細毛細血管，這些毛細血管并排沿著動脈血管分布，使其降溫，然后動脈血管再使海豚的精子降溫。

當?shù)貢r間2009年6月7日，加拿大溫哥華，20歲的母鯨與自己剛產(chǎn)下的小鯨魚一同在深海游泳。　攝影/c35/東方IC

上：2013年6月14日，大約40頭寬吻海豚隨著巨浪上下起伏，甚至“飛躍”至距離水面數(shù)英尺的空中，樂享“沖浪”歡愉。攝影/chinafotopress/東方IC

下：當?shù)貢r間2014年10月5日，美國加州，無人機拍攝到一組海豚圍繞在一條船周圍的畫面。海豚的這種行為被稱為“bow riding”，它們享受船只行進產(chǎn)生的水流的作用力。　攝影/chinafotopress/東方IC

雌性海豚也非常需要使其生殖腺保持在較冷的溫度下。哺乳動物的胎盤會像小爐子一樣在母體內(nèi)燃燒。它的新陳代謝率要比母體組織高出2至3倍，這種熱量必須以某種方式排出子宮，否則胎兒會畸形或死亡。懷孕的母體會通過其血管釋放一些熱量，其余的熱量則由其腹部散去。海豚的胎兒和海洋間有一個緊張工作以產(chǎn)生熱量的腹肌層，在腹肌層的上面是絕緣的脂肪層。如果沒有腹肌層這個窗戶，胎兒就會過熱而死亡。和雄性海豚一樣，雌性海豚也有一個循環(huán)系統(tǒng)以便它們將血液從尾巴處直接送至子宮，冷卻子宮內(nèi)的胎兒。

在寬吻海豚錐形體形和迷宮般的動脈與靜脈之下，就是推動它們行進的主要組織結(jié)構(gòu)——骨骼和肌肉。人類最大的骨骼和肌肉（和所有陸地哺乳動物一樣）都長在四肢上或是其周圍，從而使我們前進。我們的后背保持內(nèi)臟和頭部處在高處，而海豚則用其后背游泳。我曾經(jīng)看過海豚的尸體解剖，當生物學家們剝?nèi)ゼ怪車慕M織使其裸露出來的時候最令我驚訝。看著海豚的解剖骨骼，我可以看見為實現(xiàn)此目的而形成的身體結(jié)構(gòu)。每節(jié)脊椎骨頂上都有一塊倒置的大T骨架，在這個T形兩邊形成了從海豚頭部到尾部的一長塊如蛇般的肌肉。

海豚游泳的時候并不是簡單地收緊這些長長的肌肉和彎曲脊背。從海豚的頭部到尾部，有一個幾乎看不見的鞘狀銜接組織包裹著那些長在頂上和脊梁骨兩側(cè)的肌肉。這部分中的纖維就像紡織機上的線軸一樣纏繞交織著。海豚全身的肌肉被固定在這個鞘狀組織里并被固定在脊柱的骨節(jié)上。美國北卡羅來納州大學的生物學家安?帕布斯特用了5年時間才把這個組織的形狀描繪出來，而且她的工作成果顯示，當海豚想彎曲背部的時候，有一小組肌肉先收緊，使鞘狀組織的一部分變硬，直到像骨頭一般堅硬為止。依附在這些堅硬部位的另一組肌肉就能把它當做一種替代脊梁骨的東西來利用，從而把力量傳輸?shù)胶ｋ嗟娜怼Ｓ捎谌鄙傥财∪庠俅我栏降角薁罱M織，而鞘狀組織則把肌腱延伸到尾端，這些肌腱就牽引尾片上下移動到以便產(chǎn)生提升力的最佳高度。

這個鞘狀組織也可能起到彈簧的作用。海豚基本上是個由螺旋形纖維纏繞的鞘所包裹的密封氣缸。這樣的氣缸不會在彎曲的時候扭結(jié)，纖維構(gòu)造的角度使它不會纏繞起來。如果這些纖維是在一定角度范圍內(nèi)延伸，那么氣缸就會變得極富彈性，使得它一彎曲就會彈回來。換句話說，彎曲所獲得的能量被儲存在纖維里面，然后再重新釋放出來。

如果海豚能以這種方式儲存能量，那么過去幾年來出現(xiàn)的一些奇怪數(shù)據(jù)就能得到解釋了。隨著海豚游得越來越使勁，它們的耗氧量就會很快地增加然后又趨于穩(wěn)定。這種迅速上升后的穩(wěn)定狀態(tài)并不奇怪，因為動物依靠氧氣所進行的新陳代謝都是有限度的；要想向前推進得更多，它們就要依賴于那些不需要氧氣的用于新陳代謝的化學反應鏈。對于人類來說，就像其他大多數(shù)動物一樣，這種不需要氧氣就能獲得能量的方式維持時間很短，因為它會在肌肉中產(chǎn)生一種乳酸廢棄物，從而產(chǎn)生吃力和酸痛的感覺。但是海豚卻能在微不足道的乳酸產(chǎn)生情況下獲得越來越高的能量。只有另一種哺乳動物能與之相比，那就是袋鼠。

袋鼠能夠在超過依靠氧氣的能量所支持的限度上持續(xù)跳躍，因為它們的腿上有很多強大的彈性組織。它們每跳一下就伸展肌腱中那一股股堅硬的膠原纖維，并儲存下大量能量；當它們彈起再次跳躍出去的時候，肌腱就返還之前儲存在其中的92%的能量。海豚在水里說不定也是這樣做的。也許海豚的尾巴在一定頻率的上劃動作中會把能量傳送到下表皮的鞘中，而鞘就彈回來以幫助尾巴在下劃動作中把它向下推。海豚在游動的時侯會以合適的頻率產(chǎn)生共振，就像鈴聲作響一樣。如果它們是這樣的話，那么這樣一個了不起的游泳健將之所以具有如同公牛一般的體力就容易理解得多了。

在過去，學者已經(jīng)推測出海豚可能是靠類似彈簧的組織來游泳的，但是他們的研究結(jié)果還不確定。困難在于鯨類并不是簡單的汽缸；它們的尾巴在展開成尾片前是又窄又平的，鞘則做出諸如固定在脊梁骨上這樣令人迷惑不解的事情。但鞘中的纖維仍然保持正確的角度以便使尾巴像彈簧一樣振動。檢驗這種想法的最佳方法是測量鞘的彈性，但最終結(jié)果是工程師所用的拉幅機在牽拉的時候改變了纖維的方向，導致無法精確地讀數(shù)。

安?·?帕布斯特(Ann Pabst)在研究鯨脂的時候比較走運。鯨脂并非大家可能想象的那樣，是一塊令人生厭的脂肪。通過偏光顯微鏡你就能看出二者的區(qū)別了：奶牛的脂肪看起來是一個展開的黑色斑點，而鯨脂則包含有藍色和金色相間的絢麗條紋，那是交織在一起的連接性組織，就像精致的花毯一樣。這是依附在鞘上面并包裹著海豚身體的另一種交織在一起的物質(zhì)，它的纖維所呈現(xiàn)的角度剛好與鞘下面的纖維角度相匹配。但和鞘不同的是，鯨脂在被夾緊或是展開的時候都保持原來的形狀。彈性就是用來度量你從一個系統(tǒng)所獲得的相對于你投入這個系統(tǒng)的能量的標準。膠原質(zhì)——最好的生物彈簧——其彈性值是92%，而鯨脂也有87%，這是個不錯的彈性值。