本文來源於「海洋與濕地」（OceanWetlands）：
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如果你見過海豚遊泳，就會發 現 海豚遊泳時身體是上下波動，而不是像魚那樣左右擺尾。其實，作為哺乳動物， 鯨類為了適應水生環境，其身體和骨骼結構發生了深刻的變化，包括後肢變小和鰭狀肢和尾鰭的前進演化，從而形成了流線型的身體。
盡管有這些適應力，鯨類動物仍然保留了它們陸地起源的關鍵特征，比如用肺呼吸以及哺乳幼崽等能力。與此同時，它們還保留了類似能讓陸地哺乳動物跑得飛快的垂直運動。但是，大約5300萬年前，從陸地到水的過渡是如何影響它們脊椎的構造和功能仍然是個謎團。
圖源：https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Eilat_Dolphin_Reef_(3).jpg
近日，發表於【自然通訊】的一項研究揭示了這些海洋哺乳動物的脊椎是如何隨著它們的祖先適應水中生活而重組的。 研究發現，與之前的假設相反，鯨類動物的脊柱高度區域化，盡管其形狀沿其長度更加均勻。而且，鯨類 脊柱區域化的方式與陸地哺乳動物截然不同 。
研究人員指出，「鯨類動物發育出了像魚一樣的身體，這種形態變化也意味著脊柱現在是水生環境中驅動運動的主要部份。」 在陸地上活動的陸生哺乳動物的脊椎必須提供支撐，以幫助腿部承受體重。 當鯨類動物從陸地過渡到水中時，重力被水的浮力轉移，脊椎釋放了承載體重的壓力。 新的身體結構和在水中移動所需的動作意味著這些動物的脊柱必須以某種方式改變以適應新的環境。
在該領域以前的研究是從形態學的角度來觀察脊椎骨，著眼於脊椎形態的變化， 證明與兩棲動物和爬行動物相比，陸生哺乳動物的脊柱有許多不同的區域。
然而鯨類動物的椎骨更加復雜，因為它們在解剖特征上變得更加均勻。因此，與陸地哺乳動物的極端過渡相比，鯨類動物從一根椎骨到另一根椎骨的轉變是漸進的，這使得辨識區域變得更加困難。
研究人員表示：「 它們不僅有非常相似的椎骨，而且某些物種，特別是鼠海豚和海豚，比陸地哺乳動物擁有更多的椎骨，有些物種的椎骨接近100塊 。這使得將陸地哺乳動物中發現的區域轉化為柯吉拉和海豚的鯨類動物變得非常具有挑戰性。」
用於辨識區域化模式的傳統統計方法要求跨標本的元質數量完全相同。本研究中，研究人員采用的區域統計方法能夠透過單獨分析每個標本的脊骨來克服這個問題。
雖然這種方法對陸地哺乳動物有限的脊椎骨很有效，但對鯨類動物大量的脊椎骨來說，它在計算上具有挑戰性。研究人員與哈佛定量社會科學研究所的數據科學服務團隊合作，重新編寫程式碼，大大節省了計算時間。
研究人員從歐洲、南非和美國的6家博物館，收集了62種鯨類動物的139個標本的形態學數據，占到近90種現存物種的三分之二，總共測量了7500塊椎骨進行分析。
龐大數據集證明，鯨類脊椎的組織不僅與陸地哺乳動物不同，而且鯨類的模式也各不相同。研究人員根據物種確定了6到9個區域，然後從那裏開始尋找不同區域的共同點，並確定了所有鯨類動物的共同模式。
該團隊提出的假設引入了脊椎的階層，首先確定了前尾節和尾節。然後，這兩個節段又被分成所有鯨類動物共有的幾個模組:頸椎、前胸椎、胸腰椎、後腰椎、尾椎、足柄和尾鰭。接下來，根據物種的不同，每個模組進一步細分為一到四個區域。
研究人員說：「令人驚訝的是，與陸地哺乳動物相比，鯨類動物前尾節的區域更少，而尾部區域較多。」陸生哺乳動物用尾巴來實作各種不同的功能，但通常不像鯨目動物那樣用來產生推進力。鯨類動物尾巴上有更多的區域可能允許尾巴上非常特定的區域運動。」
「根據之前的觀察研究，我們知道柯吉拉、海豚和鼠海豚的遊泳方式並不完全相同，」研究小組探索了脊椎區域與棲息地和遊泳速度的關系。他們發現，生活在近海、遠離海岸的物種有更多的椎骨、更多的脊椎骨區域和更快的爆發性遊泳速度。生活在河流和海灣的物種，即離海岸較近的物種擁有較少的脊椎骨和脊椎骨區域，但它們的脊椎骨區域彼此之間差異較大，這可能使它們具有更大的機動性。
在更好地了解鯨類脊椎的組織結構後，研究人員計劃下一步利用實驗室收集的脊柱柔韌性實驗數據，研究這些形態區域與功能之間的關系。這些收集到的現代分類群數據應該可以進一步推斷出柯吉拉的遊泳能力，並有助於了解脊柱如何從陸地上的承重結構轉變為水中的推進運動器官。
THE END
海
濕
編譯 | Sara
稽核 | Daisy
排版 | 綠葉
【參考資料】
https://www.nature.com/articles/s41467-024-51963-w
https://www.earth.com/news/dolphins-and-whales-got-new-backbones-for-life-in-the-water/
https://phys.org/news/2024-09-unraveling-evolutionary-secrets-whales-dolphins.html
https://oeb.harvard.edu/news/whale-tail-unraveling-evolutionary-secrets-how-whales-and-dolphins-adapted-their-backbones
Gillet, A., Jones, K. E., & Pierce, S. E. (2024). Repatterning of mammalian backbone regionalization in cetaceans.Nature Communications, 15(1), 7587.
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