企鵝是如何成為“南極之王”的?

2022年08月04日08:35

參考消息網8月4日報導 據美國《紐約時報》網站和路透社近日報導,很難想像企鵝生活在其他地方。但古老企鵝的化石卻在赤道附近出現,而且很多這些史前海鳥早於南極洲冰原的形成。

報導說,很少有動物能像企鵝一樣進化到能在殘酷的南極生存。像帝企鵝這樣的物種有層層相疊的隔熱羽毛、排列得很緊密的血管來保持體溫,以及足以抵禦接近零下80華氏度(約為零下62攝氏度)風寒的腹部。

有了所有這些能適應寒冷天氣的能力,很難想像企鵝生活在其他地方。但古老企鵝的化石卻在赤道附近出現,而且很多這些史前海鳥早於南極洲冰原的形成。美國布魯斯博物館的古生物學家丹尼爾·克塞普卡說:“它們經曆了地球歷史上最熱的時期,當時赤道的溫度比現在高5華氏度。它們基本上是在無冰環境中進化的。”

為了確定企鵝是如何從溫暖的熱帶水域過渡到極地海洋的,克塞普卡和他的同事們最近分析了所有現存企鵝的基因組。然而,現代企鵝的基因告訴研究人員的只有這麼多。大多數現代譜系只能追溯至幾百萬年前,無法說明企鵝6000萬年漫長進化曆程中的大部分曆程。

化石記錄

克塞普卡說,超過四分之三的企鵝物種“現在已經滅絕”。他還說:“你必須研究化石記錄,否則你只能看到事情的一部分。”

為了補充現代數據,研究人員研究了形形色色的古代海鳥化石。一些史前企鵝穿梭於秘魯附近的熱帶水域,用矛狀的喙來叉魚。其他企鵝的腿很長,最大的可能有7英呎(約為2.1米)高。有些甚至長著一片片鏽紅色的羽毛。

通過比較現代企鵝和企鵝化石的基因組,研究小組得以重建企鵝的進化過程。在週二發表在《自然·通訊》上的研究結果中,研究人員找到了幫助企鵝從溫暖水域過渡到極地的基因。這些基因中的一些幫助企鵝增加脂肪,而另一些則將它們萎縮的翅膀塑造成流線型的鰭狀肢。有些基因甚至增強了企鵝的免疫系統,或幫助它們在深海潛水時忍受低氧。

在秘魯利馬的自然歷史博物館,古生物學家魯道夫·薩拉斯研究了一隻生活在3600萬年前的巨型企鵝化石的頭蓋骨,這隻企鵝大約5英呎高、130磅(約為59千克)重。

研究人員還發現了一些基因,這些基因有助於微調企鵝的眼睛,在冰冷的深處能看得見。大多數鳥類擁有四種類型視錐細胞,而企鵝的其中一種視錐細胞是不活躍的,這阻礙了它們看到綠色和紅色的能力。相反,它們的眼睛已經適應海洋的藍色。

一些缺失的基因令研究人員備感困惑。雖然現代企鵝吃磷蝦,但這個研究小組發現,有證據表明,它們的祖先缺乏有助於分解甲殼動物外殼的基因。這可能是古代企鵝捕食較大獵物的證據,比如魚和烏賊。企鵝的口感受限制,味覺也有限。它們的味覺受體只能感受鹹味和酸味,克塞普卡說:“如果你吃的是魚,那就相當不錯了。這可能就是它們喜歡沙丁魚的原因。”

變化緩慢

當這些變化發生在古代企鵝身上時,它們就陷入困境了。基因分析顯示,企鵝的進化速度通常是所有鳥類中最慢的。因為它們看起來如此奇特,如此緩慢的變化速度似乎令人驚訝。但這它揭示了企鵝豐滿而流線型的身體構造是多麼成功——數百萬年來,它的變化只是緩慢的過程。但在南極寒冷的冬季繁殖的帝企鵝是所有企鵝中進化速度最快的,這令研究人員推斷,更低的溫度以某種方式加快了企鵝的進化。

智利天主教大學的生態學家祖莉安娜·維安納說,這一觀點與企鵝在全球變冷期間向南遷徙是一致的。維安納最近領導了相似的研究,但沒有參與這項新的研究。她說:“它們的進化史與歷史上的氣候變化以及冰川作用密切相關。”

瞭解企鵝在過去是如何變化的,可能會為企鵝在更熱的未來如何生存提供線索。新西蘭梅西大學的古生物學家、這項新研究報告的作者丹尼爾·托馬斯說:“氣溫變暖將影響企鵝的生物地理範圍,影響它們賴以為生的食物物種,以及捕食它們的物種。”

克塞普卡說,雖然這項研究是對企鵝家族的全面研究,但仍有一種海鳥缺失了——最後一種會飛的企鵝。這種像海雀的小型鳥類可能生活在古代新西蘭,但它的化石卻難以被發現。他說:“如果我有一個願望的話,那這就是我最想要的東西。”

環境推動

企鵝從飛翔的海鳥進化為不能飛翔的海洋居民,它們分佈在從寒冷的南極洲一直到熱帶的加拉帕戈斯群島,其進化史是動物王國的奇蹟之一。

研究人員對企鵝進化史進行了迄今為止最詳盡深入的研究,包括確定一系列對水下視覺、長時間潛水、體溫調節、飲食和體型等進化而言至關重要的基因。週二他們公佈了研究結果。企鵝的歷史可以追溯到6000多萬年前。

研究人員對20個現存的企鵝物種和亞種進行了基因組排序。由於已知的企鵝物種中有超過四分之三已經滅絕,研究人員還利用骨骼數據分析了50種化石物種。

研究人員說,企鵝與信天翁和海燕等海鳥擁有共同的祖先。一開始,企鵝進化出了像海雀一樣的潛水能力,然後在適應海洋環境的過程中失去了飛翔能力,成為出色的“游泳者”和“潛水員”。

人們所知的最早的企鵝可以追溯至6100萬年前,也就是導致恐龍滅絕的物種大滅絕事件發生約500萬年後。

位於美國康涅狄格州格林尼治的布魯斯博物館的鳥類古生物學家丹尼爾·克塞普卡說:“在我看來,企鵝是體現重大進化轉變的典型例子,就像鯨的生活方式進化為在水中生活,以及蝙蝠進化出飛行能力一樣。”

克塞普卡說:“我們知道企鵝是從會飛的鳥類進化而來的,但這發生在6000萬年前,我們需要研究化石記錄,以弄清楚這一進化過程是何時、在何處發生的,以及如何發生的。此外,企鵝是一種非常惹人喜愛的生物。它們相愛,它們打架,它們偷東西,由於其滑稽的直立姿勢,所以很容易想像它們擁有和人類一樣的動機。”

這項發表在《自然·通訊》的新研究闡明,全球氣溫變化和主要洋流的變化是如何成為企鵝進化的重要推動因素的。

基因突變

克塞普卡說:“我們根據其基因中留下的鮮明特徵估計了一下,在過去25萬年里每個企鵝物種的種群數量是如何波動的。冰蓋面積的變化對企鵝造成了重大影響,那些容易受海冰融化影響的物種也許會因未來全球變暖而承受痛苦。”

研究人員還發現,在鳥類中,企鵝的進化速度是迄今為止所探知的最慢的。

企鵝主要生活在南半球,包括生活在南極洲海岸沿線的阿德利企鵝等物種。加拉帕戈斯企鵝是唯一在赤道以北發現的企鵝物種。

哥本哈根大學博士後研究員、該研究報告的第一作者特雷莎·科爾說,這項研究發現了很可能與企鵝獨特的生理適應能力有關的多種基因。

這些基因表現出了基因突變。突變使其視力對色彩的感知範圍向光譜中藍光的方向偏移了。比起紅光,藍光更能穿透海水,到達海面下更深的地方,因此企鵝的這一特徵有助於其微調視力,以便適應水下低亮度環境,視覺變得更敏銳。

企鵝身上幫助鳥類分辨出鹹味和酸味的基因很活躍。但是,幫助分辨出苦味、甜味和辛辣味的基因已經失去了活性。企鵝也許不再需要那些基因了,因為它們在冰冷的、鹹鹹的海水中覓食,它們通常會吞下整隻獵物,比如魚、蝦和魷魚。

企鵝的翅膀骨骼不斷變平、變硬,使其能飛翔的羽毛變短小纖細,這有助於其將翅膀變成鰭狀肢。它們還縮小了骨骼中空,使骨壁厚度增厚以提高潛水效率,並增強了在肌肉中儲存更多氧氣的能力,以便長期潛水。

曾經,企鵝比現在的物種體型大得多。在5500萬至6000萬年前,生活在新西蘭的一個企鵝物種比氏庫米企鵝直立身高約6英呎。而現存體型最大企鵝物種帝企鵝身高大約3英呎。

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