作者:唐凤 来源:中国科学报 发布时间:2019/12/15 21:28:43
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太大 又不能太大
谁束缚了海洋霸主的身材

 

虽然在童话故事中,老鼠能“吃掉大象”,但在现实世界里,小型生物吃小型猎物,而大型生物以大型猎物为食,才是故事的真正面貌。因为体型的增大取决于从食物中所获能量与其能耗间的微妙平衡。但是,这种范式在海洋中瓦解了——世界上最大的捕食动物却以微小的猎物为食。
 
蓝鲸身长100英尺,体重超过100吨,是地球上最大的生物。其他鲸,如逆戟鲸,虽然比大多数陆地动物都大,但与蓝鲸相比就相形见绌了。是什么让这两类鲸区别开来,又是什么阻止了蓝鲸长得更大?
 
“蓝鲸和抹香鲸体型庞大,是有史以来最大的动物之一。它们可以与最重的恐龙相匹敌,在某些情况下甚至超过了它们。但为什么不能更大?”美国史密森国家自然历史博物馆海洋哺乳动物化石馆馆长Nicholas Pyenson说,一个世纪以来,生物学家一直想知道是什么限制了动物的体型。
 
因为地球上最大的生物大部分时间生活在海洋表面以下,行为很难被监控,所以关于什么影响和限制了其体型的想法大多是推测性的。但是现在,Pyenson和斯坦福大学生物学家Jeremy Goldbogen领导的国际科学家小组,从数以百计的鲸那里收集了数据,使他们能确定不同体型的物种为捕获猎物投入了多少能量,哪些物种的努力获得了最大回报。
 
研究人员12月12日在《科学》上表示,所有鲸的体型都受到猎物数量的限制,但只有滤食性鲸类进化出了一种进食策略,这种策略能奖励并驱使它们长出地球生物有史以来最大的体型。
 
体型在动物界也是重点
 
在陆地食物网络系统中,大小似乎决定一切。
 
“在自然生态系统中,捕食者与被捕食者的相互作用产生了复杂的食物网,其中,捕食者体型通常比猎物大。食物网理论表明,在自然食物网中的最高捕食者与被捕食者的体重比可能特别重要。”未参与该研究的德国弗里德里希·席勒大学教授Ulrich Brose告诉《中国科学报》。
 
为了收集研究数据,这个由20多名科学家组成的团队寻找并标记了各种大小的鲸、鼠海豚和海豚——从5英尺长的港口鼠海豚到巨大的蓝鲸。为了追踪这些动物的水下活动,研究小组将多传感器标签临时粘在动物的背上。
 
一旦到位,这些标签设备上的加速计、压力传感器、照相机和水听器就会报告动物潜入水中进食时的动作。利用周围水域的声呐设备和过去鲸胃里的猎物记录,科学家还估计了捕食者附近猎物的密度。
 
该研究小组对大约300头被示踪鲸进行了长达十多年的研究,并分析了从格陵兰岛到南极洲超过1万起捕食事件的数据。他们利用这些数据计算每头鲸觅食的能量成本、收益和总回报。
 
“能量是所有生命的关键‘货币’,我们想知道在具有不同体型和进食策略的觅食鲸中,能量的增加和消耗比例是怎样的。”Goldbogen说,“能量获取与能量消耗的比例揭示了鲸的觅食效率,这将为解释不同鲸体型大而不是更大提供线索。”
 
进食方式很关键
 
研究人员发现,体型和能量回报间的关系取决于鲸进化出的进食策略——是否为一种滤食性动物,即吞下成群的猎物,或者相反,只是一个有齿“猎人”,捕获单个猎物,就像狮子那样。
 
蓝鲸、座头鲸和其他滤食性鲸,能用鲸须从海水中过滤磷虾和其他小猎物。数据显示,它们寻找密集猎物耗费的能量,几乎总是比进食时消耗的更多。但对于滤食性鲸来说,大个头并不会妨碍觅食。蓝鲸、长须鲸和座头鲸是该研究中体型最大的鲸类,它们在进食过程中获得的能量回报比该研究中其他任何鲸类都要多。
 
齿鲸则利用回声定位觅食,一次只能捕食一个猎物。它们还必须比其他鲸潜得更深,才能找到最大、数量最多的猎物,比如深海乌贼和鱼类。很少有其他温血食肉动物能进入大型齿鲸觅食的海域。Pyenson说,在1000英尺以下,“除了鱿鱼能吃,几乎什么都没有”。
 
但乌贼“很能跑”,而且数据显示,追逐鱿鱼需要大量能量,尤其是对体型最大的齿鲸来说。在某些情况下,最大的齿鲸在潜水时无法吃到足够的食物补充自己到达那里所消耗的能量。“它们在返回水面呼吸之前,甚至根本吃不饱,更不用说获得更高的能量回报。”Pyenson说。
 
抹香鲸可达60英尺长,不仅比今天其他齿鲸都大,比它们所有的化石祖先也大。而且,今天的抹香鲸确实在挑战生物学极限。研究小组的计算表明,如果抹香鲸的体型再大一些,它们将无法找到足够大的乌贼维持自身。换句话说,海洋中根本没有足够大的乌贼能维持更大的抹香鲸。
 
相比之下,大型滤食性鲸并不像齿鲸那样受到猎物体型的限制。滤食性鲸以微小但数量非常丰富的磷虾为食,这些磷虾在特定的高种群密度地区短期内大量繁殖。因此,Goldbogen、Pyenson和同事推测,季节性的大量捕食最终限制了像长须鲸和蓝鲸这样的滤食性海洋巨兽的体型。
 
“刀尖”上的生物
 
Goldbogen说:“在高纬度地区,最大的长须鲸必须在夏季最高产的几个月里收获磷虾带来的能量。这种高效的滤食策略意味着这些鲸可以建立起脂肪储备,为它们跨越海洋盆地迁徙到低纬度繁殖地提供动力。”
 
这项新研究强调了所有鲸在其生态系统中所处的危险地位。“你不得不怀疑,对于生活在‘刀尖’上的鲸来说,获得足够能量是多么困难。”Pyenson说,尤其是在面对气候变化、过度捕捞和其他海洋威胁的情况下。
 
自然生态系统既多样又脆弱。诸如气候变化、污染或外来物种的影响等环境变化很容易使生态系统失去平衡。
 
“如果你是一头蓝鲸,唯一的猎物是磷虾,而某些东西会导致磷虾数量下降,那么你就进入了进化的死胡同,因为无法吃到足够的食物维持自己的生存。”Pyenson 说,“这是我们试图更好地理解这些捕食者—猎物关系的一个很好的理由。”
 
Brose提到,如果把自然保护理解为保护自然免受外界干扰的一种方式,那么,人们对水中的鲸类、鲨鱼等大型捕猎者以及空中的大型猛禽等实施的保护,就会取得最大的成功。
 
未参与该研究的美国加州大学圣迭戈分校生态学家Terrie Williams在相关评论文章中说,对鲸基本生物学需求有更多的了解,是实施濒危巨型动物保护措施所必需的。大型鲸数百万年来一直保持着自己的体型,作为巨型顶端捕食者,它们的天敌以及自身消失(20世纪工业捕鲸造成的)对其生活的生态系统产生了巨大影响。
 
“除了一口吃掉数量惊人的猎物外,它们在食物加工过程中产生的废物也让海洋更肥沃。即使在死后,巨大的身体也为海洋生态系统提供了各种营养,从捕食它们的虎鲸到高度灵活的食腐动物,再到吞噬尸体的微生物群落。”Williams 告诉《中国科学报》,“鲸类在全球海洋生态系统中起着至关重要的多方面作用,因此有必要加大努力,保护这些庞然大物。”
 
相关论文信息:
 
https://doi.org/10.1126/science.aax9044
 
https://doi.org/10.1126/science.aba1128
 

 

 
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