海洋中的智慧（一）：海豚游泳的秘密

文/卡尔·齐默　译/靳 萌　编辑/吴冠宇

海洋中的智慧（一）：海豚游泳的秘密

文/卡尔·齐默译/靳 萌编辑/吴冠宇

也许热血动物身上的能量降低了周围海水的黏性，使其不易于形成漩涡。也许海豚的皮肤有一些脊，可以使海水沿着其侧腹流动。也许其眼睛的胶质分泌物在身体外表形成了涂层。但是没有人能够揭开海豚的游泳之谜。

当地时间2014年3月24日，冲浪爱好者被拍到他和海豚一起冲浪的镜头。　摄影/Matt Hutton/Whitehotpix/东方IC

我们终于开始了解生物数亿年的适应过程、胚胎变化、与细菌之间的合作以及诸如耳朵、手指这一类器官的形成与变化是如何让肉鳍鱼得以永远生活在陆地上的。四足动物仍然处于向这一结果进化的过程中。看看鲸和海豚，它们是如何在海洋中自在遨游，又如何捕获比我们所有拖网捕鱼船捕的还要多的鱼。它们的大脑很大，因此它们能够在占世界3/4面积的海洋中遨游，随机应变。人类所需的探测用具它们一个也不需要，还可以从所捕食的动物和空气的水蒸气中获取所需的淡水。然而，尽管如此，它们依然属于四足动物，甚至是像我们人类一样的哺乳动物。谁敢于去追踪这些动物在陆地上的祖先呢？

一个多世纪以来，大多数的进化生物学家都在回避这个挑战。因为他们没有什么证据来进行研究。然而20世纪80至90年代间，古生物学家、遗传学家、机能性形态学家、比较心理学家和胚胎学家之间出现了联合，对这个问题提出了挑战。鲸的兴盛表明宏观进化是如何既产生新结构又同时消灭旧结构，如何通过前期适应性变化进行修补之后又集结在一起成为新的身体结构；甚至还表明了宏观进化最终是如何创造了智力——这个最难以捉摸的生命特点。但是在追溯鲸类动物起源本质之前，我们有必要在它的表面停留一会儿——想一想鲸类动物所具有的复杂而美丽的身体构造——进而了解宏观进化究竟创造了什么。

目前，我们已知的地球上的79种现存鲸类动物，都分布在海洋中。它们由于拥有一些其他动物所没有的明显特点被归为一类。例如，每种鲸类动物都是通过上下摆动后背，将尾巴抬起而移动的，并且用和肩膀相连的鳍状肢控制方向。它们的每次呼吸都是由一个呼吸孔完成的。尽管鲸类动物都差不多，它们也分成截然不同的两类。其亚目之一就是须鲸亚目或是须鲸类，包括诸如身长100英尺，体重200吨的蓝鲸——这是个真正的庞然大物，以及33英尺的小型鲸类——小须鲸。须鲸亚目从上垂下的鲸须，在上颚处弯曲的角状帘子，成为归于这个亚目的依据。另一个亚目名为齿鲸亚目，又称齿鲸，包括海豚、小鲸、抹香鲸和虎鲸以及其他外来品种，比如蝝鲸和一角鲸。

动物们的捕食方法促进了它们群落的形成，鲸类动物也不例外。许多须鲸类动物在摄食基础上随意组合，然后独自迁徙到另一水域生活，在那儿它们会再相遇，并进行交配。另一方面，齿鲸通常形成大的群落，这个群落能够持续几十年，它们能像狼或者人类一样，以合作的方式进行捕食。观察自然界中的鲸很困难，因此鲸类动物的大多数群体的生活细节仍然是一个谜。蝝鲸一般在广阔的海洋和深水区域活动，因此只有当它们偶尔出现在某个遥远的海岸沙滩时我们才能了解这个种类的动物。

即使鲸类学者在海上花了大量的时间，试图解密鲸的社会生活，他们仍然无法回答鲸如何游泳，如何在水下生存，或是如何进行思考之类的问题。这些知识只能从对已捕获的鲸类动物所做的实验中获得。许多小鲸和海豚在离开海洋后的表现都和正常的群体生活行为相距甚远。事实上，在所有的鲸类动物中，只有一种是人类在所有方面诸如心理方面、流体动力方面、结构方面和生理调节方面所熟知的，那就是宽吻海豚。宽吻海豚也是非研究学者们了解最多的鲸类动物，它们就是在水族馆的表演中将观众吸引到露天看台的动物。有少数动物成为科学研究的对象，例如果蝇、田鼠、斑马鱼和线虫，但只有宽吻海豚不只是被博士后们所钟爱，更被人们所喜爱。

当一只宽吻海豚在游泳时，不论它是在海水表面快游还是潜入600英尺深的水下，看上去都毫不费力，很难想象它是一只有着高新陈代谢率和需要氧气来进行热血新陈代谢的哺乳动物。

为了成为优雅的游泳选手，动物首先需要一个适合的体形。如果水中游动的物体有个很丑陋的外形，例如是一块木头，海水就会击碎它的宽面，将其冲入激流中，在那儿木块碎片会被卷进漩涡中。这些漩涡抵消了木块的前进动力，木块很快就会停止滑动。但是如果这个物体是长的、圆的、锥形的——换句话说，是只海豚，海水就会顺着其轮廓流畅地滑过。海豚的体形不会使其永无阻力地运动，但其运动所遇到的阻力要比方头方脑的鲸类动物少得多。

海豚是靠尾巴的动力来游泳的。脊椎末端的两侧各伸出两个由结缔组织构成的长尾片，它们逐渐变细变长，形成翼状的尖端。它们工作的流体力学原理实际上和鸟儿翅膀的空气动力学原理差不多。当鸟儿向下扇动翅膀时，身体微微向上倾斜，这样周围的空气运动失衡从而产生了一股向上向前的动力。通过调动其背部和身体两侧的肌肉，海豚向下摆动尾巴，此时它的尾片处在同样的状态，从而产生了同样的效果。然而，对于鸟儿的向上运动，同样的动力可以使它向前向下运动，但是在鸟儿和地球重力的不断斗争中，它是不可能使自己朝下运动的。海豚则不用担心是否会撞向海底：因为运动时，它几乎是浮动着的，好似太空中的宇航员。它可以抬起尾巴推动自己前进，就像一只倒过来的鸟儿。

对于海豚如何游泳的真正研究只有60多年的历史。1936年，动物运动方面的专家詹姆斯·格雷(James Gray)爵士，研究了一部展示海豚在印度洋里以7秒的时间迅速游过136英尺长轮船的影片。他计算了一下速度，为每小时23英里。格雷制定了一个海豚以该速度游泳时产生的后拉力，以及克服该后拉力并保持前进动力所需能量的计算。计算结果为其能量是一般哺乳动物在屏住呼吸时肌肉所能产生的能量的7倍多。格雷所能想到的解决这个似是而非的问题的唯一方法就是接受这样一个观点：海豚以比物理学所能预测到的低得多的阻力使海水流过其身体，从而使其所受的后拉力保持在较低水平。

当地时间2013年8月7日，美国加州，橡皮艇漂流爱好者在悠闲地晒太阳，但一头40英尺长的鲸在橡皮艇附近突然窜起，几乎就要碰到已经震惊的人。　摄影/东方IC

从最初被命名开始，后来的生物学家们一直对格雷的这种似是而非的话困惑不解。当冷战开始时，美国和苏联海军也开始研究格雷的这种观点。他们认为如果能解决这一问题，就能设计出在水中安静并以低能耗前进的潜水艇。也许热血动物身上的能量降低了周围海水的黏性，使其不易于形成漩涡。也许海豚的皮肤有一些脊，可以使海水沿着其侧腹流动。也许其眼睛的胶质分泌物在身体外表形成了涂层。美国海军怀疑海豚橡胶似的皮肤能够抑制大动荡海浪的形成，从而发明了橡胶化的涂料。但是没有人能够揭开海豚的游泳之谜。现在，尽管俄罗斯的一些学者们仍在努力，但大多数的流体动力学专家们认为揭开格雷的这种似是而非的话是傻子才做的事。

海豚除了明显的体形特点外，没有其他流体动力方面的秘密，它们也会遇到动荡和相当大的后拉力。它们的皮肤或是身体形状并不能创造奇迹，它们必须让肌肉产生巨大的动力从而在水中游动。与其说海豚游泳是一个谁能解开谁就能赢得冷战胜利的秘密，不如说这点毫无秘密可言，正是由于很普通才使人们产生了迷惑。

当然，如果动物没有方法推动，即使是最精妙的流体动力外形也是没用的。当生理学家们注视着游泳中的宽吻海豚时，他们经常会想是否这种动物有着有效发挥能量的特殊方法。仅仅是在最近，他们才开始用可靠的方法测量海豚的生理学。他们通过吸盘把监视器固定在海豚的身上，以此来测量海豚的心率，然后通过该心率计算出它们的耗氧量。通过把该氧气量转化为海豚游泳时的速度，生理学家们得出了一个数据，即著名的“交通消耗”。从技术角度而言，这是指每千克体重每千米消耗的氧气毫升量。从非技术角度而言，这类似于汽车消耗每加仑汽油所行驶的英里数，它反映了某个体重的动物在规定范围内所需的能量。生理学家们已经发现海豚是所有哺乳动物中运动耗氧量最少的，仅为同等大小鱼的耗氧量的2倍。人类则为20倍之多。然而，如果你将游泳的海豚和陆地上奔跑的哺乳动物进行对比，前者的效率就没有那么异常了，陆地每个动物的运动都各有特色。在这样的情形下，一只海豚也就和一头公牛差不多。

鲸类学者仍然无法解答海豚是如何这么好地利用其流体动力和生理来游泳的。部分原因是它们使用了许多技巧来有效地在海水中前进。野生海豚以在轮船形成的涡流中冲浪而著称，有时它们仅在水面以下一点点的地方游泳或是在浪尖上跳跃。看起来它们这样做是在嬉戏，但是冲浪可以减少损耗：海豚每小时冲浪8英里的消耗和每小时游泳5英里的消耗是一样的。在海上有船航行之前的很长时间里，海豚可能就已经抓住这种廉价的机会，在风或是大鲸掀起的浪尖上游泳。海面不只是海豚耍把戏的唯一地方：在潜入约150英尺的深水时，它们的胸腔会压缩，肺也会受到挤压而关闭。它们渐渐失去浮力，像石头般沉下去。看起来海豚们好像很了解自己这一技巧，因为当它们失去浮力时，就不再游泳，直到到达了想去的深度。

其他的技巧是身体结构方面的。和哺乳动物一样，宽吻海豚也需要保持一定的高体温——这在水中是很难做到的，因为在热带纬度以外的其他地方，海水会带走动物身上的热量，和所有的鲸类动物一样，海豚通过层层的鲸脂层来保温。自出生以来，它们几乎从不停止运动，即使睡觉时也在游泳。每次它们只关闭半个大脑，这样永无止境的工作可以保持它们的体温。鲸脂很好地保存了运动产生的热，游得太厉害的话，消耗的这些能量也能使海豚死亡。

我们陆地动物也不时地会碰到过热的危险。为了除去这些多余的热量，我们有一组特殊的血管。这些血管从我们手臂和腿上的主动脉分出去，分布于皮肤下面，这样就能很快地将热量散发到空气中去。如果我们变得很冷，身体就会在窒息点关闭这些血管，造成手指和脚趾冰冷但保持了身体中的热量。海豚有相似的血管，这些血管贯穿于脂肪层，分布在尾片和鳍的皮肤之下。在游动了很久之后，它们就打开这些血管，散出热量。

过热对海豚造成的威胁是陆地上的动物永远也不会面临的，例如，游泳会使雄性海豚不育。精子只能在低于哺乳动物身体中心温度几度的温度下发育存活。因为睾丸长在游泳时要运用的大块肌肉之间，附近充满热血的大动脉，通过血管分支将热血提供给这些肌肉。这种结构安排和为了保持一盆冰淇淋不化冻却将其放在发动机组上一样没有意义。

雄性海豚通过变更其循环路线来保持生育能力。当血液流至尾巴和鳍处并释放出热量后，由静脉直接流到其生殖腺。在生殖腺处，静脉分成细毛细血管，这些毛细血管并排沿着动脉血管分布，使其降温，然后动脉血管再使海豚的精子降温。

当地时间2009年6月7日，加拿大温哥华，20岁的母鲸与自己刚产下的小鲸鱼一同在深海游泳。　摄影/c35/东方IC

上：2013年6月14日，大约40头宽吻海豚随着巨浪上下起伏，甚至“飞跃”至距离水面数英尺的空中，乐享“冲浪”欢愉。摄影/chinafotopress/东方IC

下：当地时间2014年10月5日，美国加州，无人机拍摄到一组海豚围绕在一条船周围的画面。海豚的这种行为被称为“bow riding”，它们享受船只行进产生的水流的作用力。　摄影/chinafotopress/东方IC

雌性海豚也非常需要使其生殖腺保持在较冷的温度下。哺乳动物的胎盘会像小炉子一样在母体内燃烧。它的新陈代谢率要比母体组织高出2至3倍，这种热量必须以某种方式排出子宫，否则胎儿会畸形或死亡。怀孕的母体会通过其血管释放一些热量，其余的热量则由其腹部散去。海豚的胎儿和海洋间有一个紧张工作以产生热量的腹肌层，在腹肌层的上面是绝缘的脂肪层。如果没有腹肌层这个窗户，胎儿就会过热而死亡。和雄性海豚一样，雌性海豚也有一个循环系统以便它们将血液从尾巴处直接送至子宫，冷却子宫内的胎儿。

在宽吻海豚锥形体形和迷宫般的动脉与静脉之下，就是推动它们行进的主要组织结构——骨骼和肌肉。人类最大的骨骼和肌肉（和所有陆地哺乳动物一样）都长在四肢上或是其周围，从而使我们前进。我们的后背保持内脏和头部处在高处，而海豚则用其后背游泳。我曾经看过海豚的尸体解剖，当生物学家们剥去脊柱周围的组织使其裸露出来的时候最令我惊讶。看着海豚的解剖骨骼，我可以看见为实现此目的而形成的身体结构。每节脊椎骨顶上都有一块倒置的大T骨架，在这个T形两边形成了从海豚头部到尾部的一长块如蛇般的肌肉。

海豚游泳的时候并不是简单地收紧这些长长的肌肉和弯曲脊背。从海豚的头部到尾部，有一个几乎看不见的鞘状衔接组织包裹着那些长在顶上和脊梁骨两侧的肌肉。这部分中的纤维就像纺织机上的线轴一样缠绕交织着。海豚全身的肌肉被固定在这个鞘状组织里并被固定在脊柱的骨节上。美国北卡罗来纳州大学的生物学家安•帕布斯特用了5年时间才把这个组织的形状描绘出来，而且她的工作成果显示，当海豚想弯曲背部的时候，有一小组肌肉先收紧，使鞘状组织的一部分变硬，直到像骨头一般坚硬为止。依附在这些坚硬部位的另一组肌肉就能把它当做一种替代脊梁骨的东西来利用，从而把力量传输到海豚的全身。由于缺少尾片，肌肉再次依附到鞘状组织，而鞘状组织则把肌腱延伸到尾端，这些肌腱就牵引尾片上下移动到以便产生提升力的最佳高度。

这个鞘状组织也可能起到弹簧的作用。海豚基本上是个由螺旋形纤维缠绕的鞘所包裹的密封气缸。这样的气缸不会在弯曲的时候扭结，纤维构造的角度使它不会缠绕起来。如果这些纤维是在一定角度范围内延伸，那么气缸就会变得极富弹性，使得它一弯曲就会弹回来。换句话说，弯曲所获得的能量被储存在纤维里面，然后再重新释放出来。

如果海豚能以这种方式储存能量，那么过去几年来出现的一些奇怪数据就能得到解释了。随着海豚游得越来越使劲，它们的耗氧量就会很快地增加然后又趋于稳定。这种迅速上升后的稳定状态并不奇怪，因为动物依靠氧气所进行的新陈代谢都是有限度的；要想向前推进得更多，它们就要依赖于那些不需要氧气的用于新陈代谢的化学反应链。对于人类来说，就像其他大多数动物一样，这种不需要氧气就能获得能量的方式维持时间很短，因为它会在肌肉中产生一种乳酸废弃物，从而产生吃力和酸痛的感觉。但是海豚却能在微不足道的乳酸产生情况下获得越来越高的能量。只有另一种哺乳动物能与之相比，那就是袋鼠。

袋鼠能够在超过依靠氧气的能量所支持的限度上持续跳跃，因为它们的腿上有很多强大的弹性组织。它们每跳一下就伸展肌腱中那一股股坚硬的胶原纤维，并储存下大量能量；当它们弹起再次跳跃出去的时候，肌腱就返还之前储存在其中的92%的能量。海豚在水里说不定也是这样做的。也许海豚的尾巴在一定频率的上划动作中会把能量传送到下表皮的鞘中，而鞘就弹回来以帮助尾巴在下划动作中把它向下推。海豚在游动的时侯会以合适的频率产生共振，就像铃声作响一样。如果它们是这样的话，那么这样一个了不起的游泳健将之所以具有如同公牛一般的体力就容易理解得多了。

在过去，学者已经推测出海豚可能是靠类似弹簧的组织来游泳的，但是他们的研究结果还不确定。困难在于鲸类并不是简单的汽缸；它们的尾巴在展开成尾片前是又窄又平的，鞘则做出诸如固定在脊梁骨上这样令人迷惑不解的事情。但鞘中的纤维仍然保持正确的角度以便使尾巴像弹簧一样振动。检验这种想法的最佳方法是测量鞘的弹性，但最终结果是工程师所用的拉幅机在牵拉的时候改变了纤维的方向，导致无法精确地读数。

安•·•帕布斯特(Ann Pabst)在研究鲸脂的时候比较走运。鲸脂并非大家可能想象的那样，是一块令人生厌的脂肪。通过偏光显微镜你就能看出二者的区别了：奶牛的脂肪看起来是一个展开的黑色斑点，而鲸脂则包含有蓝色和金色相间的绚丽条纹，那是交织在一起的连接性组织，就像精致的花毯一样。这是依附在鞘上面并包裹着海豚身体的另一种交织在一起的物质，它的纤维所呈现的角度刚好与鞘下面的纤维角度相匹配。但和鞘不同的是，鲸脂在被夹紧或是展开的时候都保持原来的形状。弹性就是用来度量你从一个系统所获得的相对于你投入这个系统的能量的标准。胶原质——最好的生物弹簧——其弹性值是92%，而鲸脂也有87%，这是个不错的弹性值。