新研究揭示了鯨魚歪斜頭骨的神秘演變過程

2020-12-03 施普林格自然OA

原文以 Wonky whales: the evolution of cranial asymmetry in cetaceans 為標題發布在 BMC Biology 期刊

有些鯨魚是歪斜的。你可能從外觀看不出來，但它們的頭骨其實是非常不對稱的。這種神秘的特徵有助於回聲定位。回聲定位是指鯨魚通過發出聲音並感知被物體反射回來的聲音，據此來確定物體的位置的方法。

歪斜的狀態並不是在所有鯨魚身上都存在。我和我的同事們最近進行了研究，希望明確這些鯨魚頭骨歪斜的原因，以及它們是何時與頭骨對稱的表親分道揚鑣、朝著不同方向進化的。我們現在知道歪斜的鯨魚頭骨最早出現在3000萬年前，當時的那個物種隨著進化，頭骨變得越來越不對稱，最終成為了我們今天所認識的現代鯨魚。

為了了解頭骨歪斜的鯨魚是如何變成這樣的，我們需要看看它們過去是如何生活和適應的。對我們來說很幸運的是，鯨魚化石的記錄非常全面，科學家甚至稱鯨魚為"進化的模範代表"。現存的完整頭骨和骨骼可以追溯到5000萬年前最早的鯨魚，鯨魚的歷史中分布著更多的化石分布，一直延續到我們今天所了解的活鯨魚。

通過這個記錄，我們能夠看到鯨魚的鼻孔逐漸從吻部移到了頭頂，這是一種便於在水面上呼吸的進化策略。齒鯨（嚴格意義上包括海豚，還有抹香鯨等物種）的頭骨也逐漸變得不對稱，一側的骨骼與另一側相同的骨骼位置不同。

這是因為齒鯨有一團叫做"額隆"的脂肪組織，用於回聲定位。齒鯨的額隆和回聲定位所需的軟組織位於頭骨上方左側，因此使它們的前額呈球狀突出，也使下方頭骨的骨骼向左傾斜生長。隨著齒鯨的進化，它們的頭骨也變得越來越歪斜。

但為什麼不是所有的鯨魚有這種歪斜的構造呢？最早的鯨魚被稱為「archaeocetes」，即拉丁語的「古鯨」。它們從在陸地上行走進化到完全水生，只用了相對較短的800萬年左右。

我們現在已知古鯨化石的吻突（即吻部）是歪斜的。這可能是化石變形了，也可能它就是一種幫助古鯨辨別聲音來自水下哪個方向的特徵。

然後，大約在3900萬年前，鯨魚分化成兩類：一類嘴裡長了牙齒，被稱為"齒鯨"；另一類長了鯨鬚（一排剛毛，可以讓鯨魚從水中過濾食物），被稱為"鬚鯨"。到了某個時點，齒鯨進化出了歪斜的頭骨和回聲定位。然而，包括那些巨大鬚鯨（如藍鯨）在內的鬚鯨類則走上了一條完全不同的進化道路。它們進化出了鯨鬚和濾食行為，頭骨比古鯨和齒鯨都更加對稱。

我們想了解為什麼這種進化分歧會發生，以及它發生的確切時間。因此，為了追蹤鯨魚頭骨進化過程中不對稱性的變化，我們製作了162個頭骨的3D掃描圖，其中78個是化石。我們將頭骨歪斜的形變匹配在鯨魚的家譜上，就可以精確地追蹤它在進化史上何時首次出現，以及在哪些族群中發生了進化。

根據我們對這些頭骨的分析，鼻面不對稱（即歪斜）似乎是在3000萬年前首次演化出來的。這發生在在古鯨向現代鯨類過渡之後，也是在齒鯨和鬚鯨分開之後。大約在頭骨歪斜現象出現的同時，這些早期的齒鯨也進化出了高頻聽覺和複雜的回聲定位系統。

我們還證實現代鯨魚的早期祖先在鼻面部幾乎沒有什麼顱骨不對稱性，很可能無法回聲定位。因此，鬚鯨很可能從來都不具備回聲定位的能力。

最令人驚訝的是，這種不對稱性在一些特定的物種中達到了最高水平，如抹香鯨和獨角鯨以及其他生活在深海或極端環境中的物種。

這些生活在複雜環境中的動物還包括生活在冰冷、雜亂水域的白鯨和生活在淺水、渾濁河流中的河豚。這說明這些動物已經進化出了不同的回聲定位能力，比如更多樣或更離散的聲音曲目，以幫助它們導航和捕獵。隨之而來的是鼻部和面部周圍的骨骼變得更加不對稱。

齒鯨變得越來越不對稱的這種進化路徑表明，隨著它們的回聲定位技術變得更加特化，它們的頭骨和上覆軟組織可能會繼續變得更加歪斜。

這些發現一方面提醒我們鯨類動物經歷了複雜的進化途徑才成為我們今天所熟知的適應性極強的標誌性海洋居民，而另一方面也提醒我們，儘管我們與這種地球上存在過的最大動物之一共同生活，但關於它們我們仍有很多東西需要了解。

BMC Biology

doi:10.1186/s12915-020-00805-4

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