黑暗杀手:水鼩鼱与星鼻鼹

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  编译 崔媛媛
  这是两种小型食肉动物,各自拥有在黑暗中猎食的“独门绝技”。
  
  黑暗中的“暗杀高手”:水鼩鼱
  
  它们的个头如此之小,但却从不给它们的猎物留下任何逃生的机会,就连长有硕大钳足的龙虾也成为它们的“菜单”中的一道美味……物学家肯尼斯多年来致力于研究星鼻鼹。一天,他在一块湿地上架设起一个捕笼,想捕获一只星鼻鼹鼠。令他意想不到的是,闯入捕笼的不是星鼻鼹,而是一只北美水鼩鼱。
  水鼩鼱是哺乳动物中最小的“潜水员”(体重仅约15克)和优秀的“游泳运动员”,尽管从外表看上去它与它的那些“旱鸭子”亲戚没什么两样。
  肯尼斯想看看这只北美水鼩鼱的潜水和游泳技能究竟有多优秀,于是就把它放在了附近的一条小溪边。
  肯尼斯惊奇地看到,它一个猛子扎入水中,迅速游过溪流,然后消失在河边的草丛中。肯尼斯觉得,比起哺乳动物,它更像一条鱼。
  
  优秀的“游泳运动员”及“潜水健将”
  鼩鼱与鼹鼠、刺猬同属食虫目成员。虽然它们看起来多少有点像老鼠,但实际上却与啮齿类动物的亲缘关系比较远。嗣黯科下分三个亚种,北美水鼩鼱属于鼩鼱亚科,又称红齿鼩亚科,主要分布于欧亚大陆北部和北美洲。“红齿”来源于这种动物的牙齿中含有铁,而铁的存在是为了增加牙齿的强度。对鼩鼱来说,牙齿磨损是非常严重的困扰,因为它们的牙齿并不会像啮齿类动物那样不断生长。
  水鼩鼱并非完全生活在水中,它们通常居住在沼泽地,或沿着河川溪流生活。在大多数时间里,水鼩鼱都在陆地上活动,在干燥的地方筑巢,在草丛或软泥中修建隧道并穿梭其中。
  追逐水生世界中丰富的食物使生活在岸边的水鼩鼱成为了优秀的“游泳运动员”及“潜水健将”。它们最引以为自豪的是拥有一套“专业化的潜水服”——一身防水的毛皮。当潜入水中时,水鼩鼱犹如穿上了一件半透明的、具有美丽银色光泽的潜水衣。它们的毛皮可隔绝空气,起到防水和保暖作用。水鼩鼱是不冬眠的动物,而在冬季潜入冰冷的溪水中必然会消耗很多能量,因此保暖对它们来说是至关重要的。
  水鼩鼱的四足构造也很适宜于游泳。不过,它们的四足不像青蛙等两栖类动物的蹼状脚掌,而是同大多数哺乳动物一样,四足上各有5趾,趾上有爪。与别的哺乳动物不同的是,它们的脚掌外缘衍生有穗状的短硬毛。这些硬质的毛发在向下潜水时竖起,可以增加脚掌的表面积,而在往上游时则又收拢在一起以减小阻力。这一结构非常有利于划水前进。此外,为了适应水中的生活方式,水鼩鼱在形态上还具有一些特化的结构,比如眼睛变小、外耳壳内具有防止潜水时耳朵进水的瓣膜等。
  
  简单而奇特的“侦察方法”
  水鼩鼱在水下猎食,而在水下是很难通过眼睛直接观察猎物的。那么,它们在水下如何寻找食物呢?
  肯尼斯发现,水鼩鼱在潜入水中时,可凭借其灵敏的嗅觉锁定猎物。从逻辑上来看,这是不可能的,因为气味是通过空气传递到鼻腔内的嗅觉感受器上的,而水鼩鼱在水下是无法像在陆地上一样自如呼吸的。那么,它们是如何做到的呢?原来,它们发明了一种既简单又奇特的“侦察方法”。在水下觅食时,当靠近“调查对象”或猎物时,它们通过鼻孔呼出空气并在水中形成小水泡,这些小水泡可以直接到达对方身上。之后,它们将已经具有对方气味的这些小气泡再次吸入鼻腔内,这样就可以收集到相关的气味信息了。这一过程进行得非常之快,以至于科学家得运用高速摄像机进行拍摄才能完整地观察到整个过程。
  其实,在水下通过呼吸感知猎物并非水鼩鼱的“独门武功”。肯尼斯观察到,它们还拥有另一种感知能力——通过触须感知猎物,这同大多数小型动物是一样的。水鼩鼱的鼻吻部两侧长着浓密的触须,并呈放射状散布。水鼩鼱正是通过这些触须来探测猎物的。
  为了验证它们的这种能力,肯尼斯在水中投放用硅树脂制造的仿真度很高的模型鱼,以及一些圆柱形和矩形的硅树脂物件,同时还采用红外照明技术模拟夜间的水下环境。结果发现,当水鼩鼱走近并探查这些物体时,它们并不理睬那些矩形和圆柱形的物件,而是一味地攻击模型鱼。这个实验有力地证明,利用触须感知物体的形状,也是水鼩鼱的一个重要的感知能力。
  水鼩鼱通常在夜间活动,那么,在完全黑暗的环境中水鼩鼱是如何探测并追踪猎物的呢?为了找到答案,肯尼斯等人设计了一个试验:准备一个小匣子,在匣子四周设计出水口,以及与之相连的可精确控制的水泵;当水鼩鼱进入匣子并开始寻找猎物时,将水里的鱼移走,然后通过水泵制造一种脉冲波,模仿一条正在逃离的鱼的尾巴在水中轻击引起的振动。结果发现,尽管此时水中已经没有鱼了,水鼩鼱仍向着振动的方向发起攻击。相反,当通过水泵制造一种类似溪流的连续震动的波时,水鼩鼱就会漠然置之。
  显然,水鼩鼱在黑暗中是利用它们的触觉发现并追赶正要逃离的猎物的。而要完成这项艰巨的任务,它们还必须具备极为迅速的行动能力。肯尼斯通过每秒1000帧的录像准确地计算出了它们的反应时间:当觅食的水鼩鼱感觉到水中的脉冲波动时,仅用1/50秒即完成了转身运动,并在1/20秒内移动了2厘米,且已张开大嘴准备捕食。
  
  顶级“武林高手”
  水鼩鼱的“美食菜单”中甚至还包括了龙虾。水鼩鼱小小的个头与龙虾硕大的钳足相比,让人怀疑它们是否真的能成功捕食龙虾。事实上,龙虾注定是这场较量中的失败者。为什么?
  水鼩鼱属于脊椎动物,龙虾属于无脊椎动物,两者的神经系统有一个很大的区别:所有的哺乳动物包括水鼩鼱,其神经纤维均被一种绝缘的被称为“髓鞘”的膜状结构所包裹,这大大增加了神经冲动的传导速度,使得感知到的信息可以很快地被大脑处理;而无脊椎动物的神经纤维没有髓鞘。如果无脊椎动物想要加快神经传导速度并缩短反应时间,只能依靠增大神经纤维中轴突的直径。龙虾为躲避敌害进化出了粗大的神经纤维,以让大脑和身体作出快速反应。但即使这样,仍然不能和水鼩鼱的有髓神经纤维相匹敌。这或许就是水鼩鼱能成功捕食龙虾的原因。
  水鼩鼱还有一个优势:它们是恒温动物,其神经系统总是处于最适温度中,并维持在最佳反应状态。
  以上两个特性的完美结合,使得水鼩鼱成为顶级的“武林高手”,至少从龙虾的角度看是这样的。
  
  鬃须的重要作用
  水鼩鼱为什么拥有如此敏锐的感知能力?肯尼斯认为,这在很大程度上取决于它们的大脑。肯尼斯通过研究发现,水鼩鼱的大脑神经皮层分别仅有8.5%和6.5%用于处理视觉信息和听觉信息,而多达85%用于处理触觉信息,其中又有约70%用于处理触须所感知的信息,仅有约30%用于处理躯体和四肢所感知的触觉信息。将大脑的大部分区域用于处理触觉信息,这对水鼩鼱来说具有十分重要的意义。在人的大脑中也存在类似的“经验法则”: 大脑的大部分区域只负责处理手和唇的感觉信号,留给躯干和脚的只有极少部分。
  对不同物种的研究结果显示,在进化过程中,来自不同部位的感觉信号在大脑中为争夺自我的一片领土倾力而战。肯尼斯对幼水鼩鼱的观察也证实了这一点。他发现,在水鼩鼱发育早期,即在大脑新皮层逐步形成的过程中,生长触须的皮肤显得肿胀,此处的血管也显得与脸部其他位置不同,这都反映出在触须的形成过程中发生了频繁的新陈代谢。数千个触觉感受器围绕在初生的触须周围,巨大的神经纤维把这些感受器与大脑相连,并负责把信号传递到正在发育的新皮层上。在水鼩鼱的发育过程中,来自触须的重要的触觉信号在新皮层上占据了大部分区域。待小鼩鼱年满3周岁出巢的时候,它们已经拥有了一套敏锐的触觉感受器官,并且在一周以后就可以独自潜入水中觅食了。
  拥有如此敏锐的嗅觉和触觉,难怪小小的水鼩鼱能成为黑暗中的“暗杀高手”,就连长有硕大钳足的鳌虾也成为了它们的“菜单”中的一道美味。
  
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  夜行性动物
  夜行性是指在白天休息而在夜间活动的一种动物行为。这是一种与我们人类完全相反的生活方式。具有这种生活方式的动物被称之为“夜行性动物”。与此相反,选择白天活动夜间休息的动物则被称之为“昼行性动物”。此外,还有一些动物每天的活动高峰期在清晨和(或)黄昏,因此被称之为“晨昏活动动物”。
  夜行性可被视为一种“避敌”的适应性行为。夜行性动物避过大多数动物活动的时间,以此来减少被捕食的机会;躲避日间的高温环境也是一些动物选择夜间活动的原因之一,比如沙漠中的动物经常选择夜间活动,以避免在白天高温、干燥的环境中丧失身体中宝贵的水分。
  除夜行性动物外,很多昼行性动物在某些特殊的时期也存在不同程度的夜行性行为。比如许多海鸟和海龟选择在夜间到达繁殖地产卵,以减少它们及后代被天敌捕食的危险性。
  夜行性动物大都具有高度灵敏的听觉、嗅觉,并拥有一定的夜视能力。一些动物,比如猫,有着既能适应白天的光线又能在夜间视物的眼睛,因此在白天或夜晚均可自由活动。而诸如蝙蝠、水鼩鼱等,则受不发达的视觉系统的限制,只能选择在夜间活动。
  
  地球上的:“外星物”:星鼻鼹
  
  它们是如此奇特——鼻子就像一朵盛开的花。在它们探路行进时,会让人觉得它们的头部就是由这奇特的鼻子构成的,难怪人们会把它们和“外星生物”联系在一起。
  在北美洲东部,居住着一种十分奇特的小动物。从外表看,它们就像在地球上定居的“外星生物”,其最大特点是头部的鼻子:在鼻子周围环绕着11对粉红色的肉质“触手”,就像一朵盛开的花。这种动物在探路行进时,会让人觉得它们的头部就是由这奇特的鼻子构成的。难怪人们会把它们和“外星生物”联系在一起。还有人觉得这种动物的鼻子更像一颗星星,因此又形象地称它们为“星鼻鼹”。那么,星鼻鼹究竟是如何靠鼻子探路谋生的呢?科学研究揭示了其中的秘密。
  
  神奇的“鼻子”
  星鼻鼹属于哺乳纲、食虫目、鼹科,是星鼻鼹属中唯一的成员。这是一种非常小型的鼹鼠,成年体长只有15~20厘米,体重仅约50克,只有小鼠的两倍。它们生活在湿地的浅层地道中,遍及美国东北与加拿大东部,猎食的环境为地下及水下。从那些粉红色“触手”的外形或着生位置来看,你可能认为那是敏感的嗅觉器官,帮助几近全盲的星鼻鼹判断地下的环境;抑或认为它们相当于星鼻鼹的“另一只手”,可以帮助其捕食或操纵物体;还有一些人则推测星鼻鼹利用它们探测电场,具有类似天线的作用。实际上,星鼻鼹的被“触手”环绕的星状鼻既不是负责嗅闻的嗅觉系统的一部分,也不是用来捕捉食物的“第三只手”,而是一个特殊的、敏感的触觉器官,在生物学上叫做“星状附器”。
  在星鼻鼹的星状附器上共有超过25000个微小触觉感受器,被称为“艾默尔器官”。这种小型的鼹鼠正是通过这些敏感的“触手”反复地触探地面,分辨周围环境和物体的差别。在显微镜下,一个个艾默尔器官在表皮下以蜂巢形状排列,即使是最轻微的碰触都能被它们所感知。虽然这个星状附器不到2厘米宽,但它却有10万个以上的表面神经末梢。与之相比,人类的手掌上只有大约1.7万个神经末梢。想象一下,如果将6只手掌的触觉感受器集中到一个指尖上,其敏感性将是多么惊人。
  那么,生活在湿地的浅层地道中,习惯于在泥泞的环境中觅食的星鼻鼹是如何运用它灵敏的感觉器官来探索黑暗、潮湿的地下世界的呢?
  在到达一个新环境后,星鼻鼹会首先通过22个附属的“触手”轻轻地触碰周围的地面来感知环境。然后,它的大脑会在不到1/20秒的时间里对这些信息进行处理。只要其中有一条“触手”发现了隐藏的物体,星鼻鼹就会把鼻子略微地向这个物体所在的方向伸出,然后用星状附器最中央的区域接触物体。由于艾默尔器官与神经系统紧密相连,星鼻鼹可以在大脑中进一步形成高分辨率的图像,由此判断它是否已经遇到了可口的食物,是否应该继续搜索下去。在捕食一些小型猎物时,星鼻鼹从利用星状附器探触再到捕食猎物,整个过程只需要花费0.2秒到1秒的时间。
  星鼻鼹通过鼻子探查周围环境,就像我们人类通过眼睛观察世界。通常情况下,人和大多数哺乳动物都是通过视网膜外周视力最先发现环境中的重点部分,然后移动眼睛,使这部分场景落在视网膜的中央凹处。所谓“中央凹”是视觉最敏锐的部位,在此区域,光线受视神经纤维及其他层次的阻挡最少,感受器的密度也最高,因此可在大脑中呈现出最清晰、详细的图像。与此同时,在位于大脑皮层的视觉区域,处理中央凹处成像信息的速度,较之于处理视网膜外周区域的成像信息的速度要快一些(如果你不信,可以试着不移动眼睛读完一行字,你会发现越往视线的中心,字迹越清晰)。
  位于星鼻鼹大脑中的触觉处理区域,与上述的视觉区域相类似。在它们的大脑皮层质中,更多的空间用于分析星状附器中心区域输入的触觉信息,只有少部分用于处理星状附器的外周区域传递回来的触觉信息。通过这种方式可以更好地维持整个神经系统的组织性和协调性。试想,如果大脑随时随地都需要对所有琐碎的信息进行完全的处理扫描,那将是多么庞大的一项工程!如若只将大脑的计算能力集中用于众多信息中的一些关键部分,则会节省很多时间,并大大提高星鼻鼹的搜索能力。通常,星鼻鼹会在土壤中寻觅蚯蚓,也会在湿地中取食昆虫幼虫和多种小型无脊椎动物,还会潜游到池塘或溪流的浑浊水底搜寻猎物,其新陈代谢速度之快,堪称“大胃王”。正是依靠自身独特的星状“探测器”,星鼻鼹得以在全黑的环境中迅速、准确地找到猎物。根据研究,星鼻鼹通过“触手”发现食物的能力比其他鼹鼠依靠视觉或嗅觉的捕食能力大数倍!
  
  独特的进化之路   星鼻鼹奇特的星状探测器是如何形成的呢?
  通常,动物的骨架结构可以留存在化石之中,但星鼻鼹的星状附器没有任何骨质结构,因此无法留存下任何化石方面的证据。为此,科学家通过一种间接的方式,即观察胚胎发育来了解这一进化过程。
  大多数动物的触角、翅、肢、鳍等附器或附肢在胚胎发育的初期仅仅是体壁的延伸部分,而且不论人类、鱼类、鸟类还是昆虫类,其附器在早期发育时期的基因表达都是相类似的。这表明,附器的胚胎发育在进化的过程中经过了数次改动。
  那么,星鼻鼹奇特的星状附器是如何进化而来的呢?科学家通过完整记录星鼻鼹整个胚胎发育的过程发现,在胚胎发育的初期,星鼻鼹的脸部开始膨胀出一些微小的突出物,这正是那22个神奇“触手”的雏形;到胚胎发育的后期,这些突出物不断伸长,整体看上去就像朝着脸部弯曲的一条条“触手”,但每条触手彼此间并没有完全分离,且都与脸部相连;直至出生之前,这些突出物发育成一个个相对独立的圆柱体,只在两端仍与脸部相连接;在出生不久后,这些圆柱体的前端向前倾,并与脸部分离,有点像被剥了皮的香蕉。事实表明,星鼻鼹的星状附器发育的顺序和过程与其他动物的附器是完全不同的,有着独特的发育机制。换句话说,在漫长的时光中,星鼻鼹走的是一条独特的进化之路。
  
  行动最为迅速的哺乳类猎食者
  在吉尼斯世界纪录中,星鼻鼹是吃东西最快的动物。研究发现,星鼻鼹还是首个被发现能在水下运用嗅觉来追踪猎物的哺乳动物。
  一些水生生物如龙虾在水下是有嗅觉的,那么,哺乳动物在水下有没有嗅觉能力呢?过去大多数科学家认为没有,但美国研究人员运用高速摄像装置研究星鼻鼹的水下捕食行为,发现它们不断地从鼻孔中吐出气泡然后又迅速吸回去,频率大约为每秒10次,这与老鼠在陆地上追踪猎物时抽吸鼻子闻气味的行为非常相像。
  为了进一步检验星鼻鼹在水下是否有嗅觉能力,研究人员在水下设置了一个有两条路径的装置,其中有一条路径中留有蚯蚓(星鼻鼹的食物)的气味,然后让星鼻鼹进入装置。结果发现,星鼻鼹选择有蚯蚓气味路径的概率达到75%~100%。而当这条路径被隔断后,星鼻鼹选择两条路径的概率各为50%。
  后来,又有科学家借助高速摄像机观察到,星鼻鼹的星状鼻每秒钟触碰的地方可以超过12个。因此,星鼻鼹能在1/4秒时间里完成从确定猎物位置到捕食猎物的全过程。
  由此可见,星鼻鼹不仅拥有水下嗅觉能力,而且还是世界上行动最为迅速的哺乳动物猎食者。
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