为什么鲸鱼大而又不大?

捕食微小猎物的鲸鱼如何演变成地球上最大的生物?为什么不’他们变得更大了吗?

水表面呈大长方形灰色。

小须鲸。图片来自Jeremy Goldbogen。

经过 马修·萨沃卡(Matthew Savoca), 斯坦福大学; 杰里米·戈德伯格(Jeremy Goldbogen), 斯坦福大学, 和 尼古拉斯·比森(Nicholas Pyenson), 史密森学会

齿鲸和须鲸(滤食)都属于有史以来最大的动物。蓝鲸长100英尺(30米),重达150吨,是地球上生命史上最大的动物。

尽管鲸鱼在这个星球上已经存在了大约五千万年,但它们在到现在才演变成真正的巨型鲸鱼。 在过去的五百万年左右。研究人员不知道 是什么限制了它们的巨大尺寸。在这样的规模下,生活节奏如何?过大的后果是什么?

作为研究的科学家 生态, 生理进化,我们对这个问题很感兴趣,因为我们想知道地球上的生命极限,以及什么使这些动物能够在这样的极端条件下生活。在一个 新发表的研究,我们发现鲸鱼的大小受到最大的鲸鱼非常有效的喂养策略的限制,与它们在觅食时燃烧的能量相比,它们能够吸收大量的卡路里。

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与橙色的小船相比,鲸鱼的侧面看起来很大。

座头鲸接近南极的科学家。图片由斯坦福大学/杜克大学海洋机器人与遥感学院Goldbogen实验室提供,图片经ACA / NMFS#14809许可。

成为鲸鱼的方式

地球上的第一条鲸鱼有四肢, 看起来像大狗 并至少在陆地上生活了一部分。他们的后代花了大约一千万年的时间才能发展出完全水生的生活方式,而鲸鱼成为海洋巨人则需要大约三千五百万年的时间。

大约4000万年前,鲸鱼完全变成水生生物,在海洋中成功的类型有两种: 鲸鱼,通过将海藻通过口中的baleen过滤器过滤来喂食,或者 齿鲸 用猎杀猎物 回声定位.

当鲸鱼沿着这两个路径进化时,一个过程称为 海洋上升 在他们周围的水域中愈演愈烈。当平行于海岸的强风将地表水带离海岸,从深海中吸收营养丰富的冷水时,就会发生上升流。这会刺激浮游生物开花。

剖视图的海岸与向外移动的波浪和箭头指向从深处到浅水。

当风取代地表水时,上升流就会发生,地表水会被从下方涌出的冷,营养丰富的水所代替。图片通过 诺阿.

较强的上升流为鲸鱼的猎物创造了适当的条件,例如 磷虾饲料鱼,集中在海岸线密集的斑块上。依靠这些猎物资源捕食的鲸鱼可以高效且可预测地觅食,从而使其长大。 化石记录 表明鲸鱼世系分别变得巨大,同时也支持了这一观点。

真是大吃一惊

大型鲸鱼的数量有限制吗?我们通过利用动物的能量学来解决这个问题-研究生物如何有效地吸收猎物并将其包含的能量转化为体重。

变大是基于简单的数学原理:如果一个生物获得的卡路里多于其消耗的卡路里,它就会变大。这似乎很直观,但是用从自由生活的鲸鱼收集的数据来证明这一点是一个巨大的挑战。

为了获得信息,我们的国际科学家团队将带有吸盘的高分辨率标签附加到鲸鱼上,以便我们跟踪它们的方向和运动。标签每秒记录数百个数据点,然后在大约10小时后分离以进行恢复。

就像使用运动记录行为的Fitbit一样,我们的标签可以测量鲸鱼在海洋表层下觅食的频率,它们的航行深度以及停留在海洋深处的时间。我们想确定每种物种的能量效率,即它从觅食中获得的总能量,相对于寻找和消耗猎物所消耗的能量。

整个长的灰色鱼型鲸鱼顶视图,与标记特写镜头插入物在它的后面的。

标记的蓝鲸在加利福尼亚大苏尔附近。图片来自Duke Marine Robotics&NMFS下的遥感许可16111。

这项研究的数据由代表六个国家的合作者提供。他们的贡献代表了海上数万小时的野外工作,从极点到极点收集有关活鲸的数据。

总体而言,这意味着要对来自11种物种的300齿和须鲸进行标记,范围从5英尺长 海豚蓝鲸,并记录了50,000多次喂食事件。综上所述,他们表明,鲸的巨型繁殖是由动物利用专门的觅食机制增加其净能量获取的能力所驱动的。

我们的主要发现是 食弓鲸吞噬着大量的磷虾或草食鱼,这使它们的收益最大。随着这些鲸鱼大小的增加,它们使用了更多的能量冲刺-但它们的吞咽大小甚至更加急剧地增加。这意味着须鲸越长,它们的能量效率就越高。我们怀疑,须鲸的大小上限可能是由猎物的程度,密度和季节性持久性决定的。

大型齿鲸,例如 抹香鲸,偶尔喂食大型猎物,包括寓言故事 巨型鱿鱼。但是海洋中只有这么多的巨型鱿鱼,很难找到和捕获。大齿鲸更经常以中型鱿鱼为食,而中型鱿鱼在深海中更为丰富。

由于缺少足够大的猎物,所以我们发现齿鲸的能量效率会随着体型的减小而降低,这与我们记录到的鲸鱼相反。因此,我们认为,由于缺乏巨型鱿鱼捕食者而造成的生态限制使带齿鲸的体型进化得比抹香鲸大。

图中的四只鲸鱼按比例缩放,两只追逐猎物,另外两只嘴张开。

缩放齿鲸和须鲸的能量效率。图片通过 亚历克斯·博尔玛(Alex Boersma).

一个更大的难题

这项工作是建立在以前关于 鲸鱼体型的演变。仍然有许多问题。例如,由于鲸鱼在其进化历史中相对较晚地发展了巨无霸,未来它们会进化成更大的鲸鱼吗?尽管有其他生理或生物力学方面的限制因素可能会限制他们的身体健康,但还是有可能的。

例如, 最近的研究 测量蓝鲸心率的结果表明,即使在常规觅食行为期间,心率也接近其最大值,从而暗示了生理极限。但是,这是第一次测量,需要更多的研究。

我们还想知道这些大小限制是否适用于海上其他大型动物,例如鲨鱼和rays鱼,以及鲸鱼的大量猎物消费如何影响海洋生态系统。相反,随着人类行为改变海洋,它们会影响鲸鱼的食物供应吗?我们的研究令人发醒,提醒我们自然界的关系已经发展了数百万年,但是在自然界中可能会被更快地破坏。 人类世.

马修·萨沃卡(Matthew Savoca)博士后研究员 斯坦福大学; 杰里米·戈德伯格(Jeremy Goldbogen)生物学助理教授 斯坦福大学, 和 尼古拉斯·比森(Nicholas Pyenson),化石海洋哺乳动物的研究地质学家和策展人, 史密森学会

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底线:解释鲸为何这么大,却没有那么大的原因。

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