能快速启动和驻停:这些动物各自的模样是如何演化出来?

文章作者:bianji3 | 2018-02-15
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     猎豹躯干长1-1.5米,尾长0.6-0.8米,肩高0.7-0.9米,体重50-80公斤,雄猎豹的体型略微大于雌猎豹。背部的颜色是淡黄色,腹部的颜色比较浅,通常是白色的。猎豹的英文 Cheetah,就是有斑点的意思,猎豹全身都有黑色的斑点。从嘴角到眼角有一道黑色的条纹,这个特征可以用来区别猎豹与豹,这两条黑纹有利于吸收阳光,从而使视野更加开阔。猎豹尾巴末端的三分之一部位有黑色的环纹;后颈部的毛比较长,好像很短的鬃毛一样。它的体型是纤细、腿长、头小、耳朵短,瞳孔是圆形。因为猎豹具有这种流线型的体型,所以跑起步来显得十分轻盈。加上猎豹的脊椎骨十分柔软,它无论是站立的时候,还是奔跑的时候,它的身体的轮廓都像是一座青铜作品。猎豹的牙很锋利,但是比较起其他的大型猫科动物,猎豹的牙比较小。
      腿长,身体瘦,脊椎骨十分柔软,容易弯曲,像一根大弹簧一样,跑起来的时候前肢和后肢都在用力,而且身体也在奔跑中间一起一伏;在急转弯时,大尾巴可以起到平衡的作用,不至于摔倒。身体的特殊结构使得猎豹奔跑速度极快。

捕食者和猎物身处永无止境的军备竞赛之中,每一个演化适应特征都会得到回应。捕食者和猎物身处永无止境的军备竞赛之中,每一个演化适应特征都会得到回应。

研究中一只带着项圈的猎豹研究中一只带着项圈的猎豹

研究中一只戴着项圈的斑马研究中一只戴着项圈的斑马

  据报道,当我们观看大型猫科动物在非洲草原上捕捉猎物的时候,其实就是在实时目睹数百万年的生命演化过程。然而,这些捕猎并不是总能以抓获猎物告终,因为“适者生存”意味着猎物有时候必须能勇敢地逃脱。在一项新研究中,科学家揭示了这种猎手—猎物关系中表现出来的运动能力,以及成功捕捉猎物,或避免被捕食者吃掉的最佳策略。

  在发表于近期《自然》(Nature)期刊的论文中,研究者写道:“速度最快、最灵活的陆地动物栖息在稀树草原环境中,那里的捕食者需要追逐狂奔的猎物。”毫无疑问,这些动物身处永无止境的军备竞赛之中,每一个演化适应特征都会得到回应。但是,一些明显的优势也会遭遇极限。如果捕食者的体型变得太大,或者太过肌肉发达,那它可能会很快在追逐中耗尽体能。猎物也同样如此。演化趋向于在捕食者和猎物之间达成平衡——类似于某种生理上的“适居带”,以某些特殊而重要的方式对物种进行约束。

  这项研究由英国皇家兽医学院的阿兰·威尔森(Alan Wilson)主持,探索了捕食者—猎物关系中一个至关重要的因素:动物生存所需的运动能力水平。威尔森特别对两种捕食者—猎物关系中的生物力学机制进行了探究,分别是狮子—斑马和猎豹—高角羚。狮子和猎豹之所以被选为研究对象,是因为它们通常是以一对一追逐的方式来捕捉猎物,而斑马和高角羚分别代表了二者最经常捕捉的猎物。在漫长的时间里,这些动物被锁定在一场达尔文式的战争中,塑造着彼此的身体形态。威尔森希望能确定捕食者身上出现的哪些生理特征和运动模式,能帮助它们击倒并捕捉猎物,而猎物又是演化出了哪些特征,能帮助它们摆脱被捕捉的命运。

  为了进行这项研究,威尔森的团队开发了特制的项圈,用于追踪这些动物在自由奔跑时的速度和加速度。在非洲博茨瓦纳北部的自然栖息地里,5只猎豹、7只高角羚、9只狮子和7只斑马成为了科学家的研究对象。他们记录了惊人的5562次高速追逐。通过对每一次追逐的数据进行分析,科学家得以对每只动物的运动能力进行评估(可惜的是,戴项圈的动物之间并没有彼此关联在一起,否则将是非常有趣的数据)。研究人员还对这些动物的后腿二头肌进行了活组织检查,测量了每个物种的肌肉力量。“我们是第一批对捕食者和猎物的精细动态和物种肌肉特征进行测量的人,”威尔森说道。

  研究人员发现,狮子和猎豹都演化成了极致的运动高手,能进行快速的启动和驻停。与它们各自的猎物相比,狮子和猎豹的肌纤维力量高20%,加速能力强37%,减速能力强72%。两个组合的这些差别都很一致,而且都相当显著;该研究结果表明,捕食者——至少就狮子和猎豹而言——对猎物具有巨大的生理(或运动能力)优势。

  然而,这并不是故事的全部。斑马和高角羚或许运动能力稍逊一筹,但它们更加灵活,能够以较低的速度摆脱追逐(貌似有点违反直觉)。研究人员指出,被追捕的猎物会在追逐中采用最合适的速度和路线,而捕食者的工作就是破坏这种策略。狮子和猎豹其实很喜欢猎物竭尽全力地和它们比拼速度。在全速奔跑时,猎物的运动会变得容易预测,它们无法跑得更快,也不能迅速转身。在大多数情况下,捕食者会比猎物跑得更快。但是,如果猎物跑得较慢,那它们就有了更多的选择,比如摇摆和转身,使它们的运动更难以捉摸。更令人难以置信的是,猎物在追逐中会以最高时速大约一半的速度奔跑。与此同时,捕食者会一直跑得比猎物快,试图缩短距离;而当猎物做出躲避的转身动作时,它们不得不放慢速度,跟着猎物转身。

  通过计算机模型,研究人员证实了速度较慢对猎物而言并不是可怕的劣势,而在最后时刻摆脱捕食者的最佳策略,就是采取一条捕食者不可能追随的路径。颇具讽刺意味的是,捕食者速度越快,对猎物来说就越是好消息——即使被抓到也是如此。筋疲力尽的捕食者可能无法控制住它的猎物。

  更重要的是,在这项研究的两种关系之外,还有更多值得探索的捕食者—猎物关系。首先,该研究只局限于两种组合,而动物界中充满了其他截然不同的例子。其次,许多动物还具有其他生理特征和用于捕食或逃跑的策略,比如尖利的牙齿和爪子,或者灵敏的鼻子和耳朵。伪装也是非常有用的工具。威尔森本人也承认,一对一追逐只是捕猎的一个侧面,该研究并没有涉及其他的捕猎形式,比如伏击或依靠耐力耗尽猎物的体能。当然,这依然是一项非常令人着迷的研究,将帮助我们更好地理解这些动物各自的模样是如何演化出来的。

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