乌龟:未来最濒危的脊椎动物

2019-05-14 11:40:24 奥秘2019年5期

和恐龙同时期的动物

乌龟广义上指龟鳖目的统称,狭义上指龟科下的物种。在动物分类学上隶属于爬行纲、龟鳖目、龟科,是常见的龟鳖目动物之一,是现存古老的爬行动物。中国各地几乎均有乌龟分布,但以长江中下游各省的产量较高。广西各地也都有出产,尤以桂东南、桂南等地数量较多。国外主要分布于日本、韩国和朝鲜。

一般将龟另称为乌龟,龟是以甲壳为中心演化而来的爬行动物。龟最早见于三叠纪初期,当时就有发展完全的甲壳,尽管早期龟可能还不能够像今日一样将头部与四肢缩入壳中。龟已经在地球生存了几千万年,和恐龙系同时期的动物。

龟的背甲长10~18厘米,宽6~12厘米。雄性龟背甲近黑色,雌性棕褐色。分为头、颈、躯、尾和四肢。与其他爬行动物有显著区别的特殊形态构造是具有龟壳,宽短的躯体包含于龟壳内。龟壳有拱起的背甲和扁平的腹甲构成:腹甲在体侧延伸,以骨缝或韧带与背甲相连,这个伸长部分称为甲桥。头、四肢和尾从龟壳边缘伸出,一般均能缩入壳内(除海龟和鳄龟)。背甲和腹甲均由内外两层构成:内层由若干骨板组成,外层由若干角质盾片组成。棱皮龟科完全鞘,称为喙。龟有肌肉质舌,不能伸出。有眼睑及瞬膜,瞳孔圆形。听觉不敏锐,触觉及嗅觉较发达,用肺呼吸。

有些龟是陆栖,少数栖于海洋,其余生活于淡水中。以鲜嫩植物或小动物为食,或以两者为食。可长期忍受禁食。通常每年繁殖一次,雌性在陆地产卵,卵为白色、呈圆形或瘦长形,通常母龟用后腿挖洞,并将卵产于洞中。常见的大型陆龟种类有象龟,体长1.5m,重200kg,因可以载入爬行而著名,绿毛龟是人们喜爱的展览动物,它实际上是背甲上生有绿藻的金龟或水龟。

清光绪年间,金石学家王懿荣偶然在中药材上的“龙骨”片(龟甲)发现有古文字,即后来的甲骨文。可能因为龟的行走速度缓慢,而且经常依赖龟壳进行非常有效的防守,所以形象上是没有出息的样子。但也因为龟长寿,故成为中国四灵之一。据历史记载,白龟的寿命达到800年以上,故有“千年乌龟万年鳖”的长寿美誉佳话。

乌龟的祖先:半甲齿龟

半甲齿龟的身长约40公分。半甲齿龟与现代乌龟有许多不同之处。举例而言:半甲齿龟的上下领长有牙齿,而现代乌龟的颌部已演化出角质构成的喙嘴。许多史前乌龟已具有完整的龟壳;但是,半甲齿龟只有腹部具有甲壳,背部无壳。半甲齿龟的肋骨宽广,类似现代乌龟的胚胎。

科学家据此推测,乌龟的腹甲是由腹肋演化而成;而特化的脊椎与加宽的肋骨逐渐连在一起,演化出背甲。除了嘴部有牙齿、缺乏背甲以外,半甲齿龟还具有许多原始特征。它们的脊椎与肋骨的接触面,不同于后来的乌龟。同时,半甲齿龟的颅骨比例也不同于后来的乌龟,其眼睛之前的部分较长。尾椎的横突并没有愈合,肩胛骨缺乏肩峰突。与后来的乌龟不同。

科学家根据上述特征,发现半甲齿龟不仅是已知最古老的乌龟,也是已知最原始的乌龟,它们可能是种过渡化石。

怎样计算乌龟年龄

随大自然的周期性变换,乌龟有明显的生长期和冬眠期,生长期背甲盾片和身体一样生长,形成疏松较宽的同心环纹圈;冬眠期乌龟进入蛰伏状态,停止生长,背甲盾片也几乎停止生长,形成的同心环纹圈狭窄紧密。如此疏密相间的同心环纹圈与树木的年轮相似,依此可以判断乌龟的年龄,即数盾片上的同心环纹数,然后加1等于龟的实际年龄。龟的年轮在10岁前较为清晰,年龄愈长愈难用肉眼辨认,只有依据龟的重量来推算。人工养殖除外,野生龟每500g重的龟龄,在我国南方龟约20年,北方龟约40年。大概年龄可从龟壳的纹路观测,颜色越深,纹路越清晰就越老,反之则嫩,如果是实际年龄,则不好判断。

冬眠中的乌龟怎样呼吸

当进入严寒冬季,在如此低温的环境中,很多地球生物其实都需要进入一种睡眠状态,只有充分的进入到睡眠状态,才能确保这些生物安然等来春天。在众多冬眠的动物中,作为变温动物的乌龟受环境气温的影响是非常明显的,在11月至第二年的3月,如果氣候温度达不到10°C的话,这种生物就处于一种冬眠状态,而在这种状态下它们静静的藏在池底的淤泥之中,又或者是在一些稻草或者松土之中。一旦进入这种状态,它们就不需要进食,而且一动不动的。一直到4月初的时候,环境的温度达到15°C以上,才能让这种生物重新醒来,并且开始大量摄入食物。

对于我们人类来说,如果处于水温比较低的水塘中,不需要太长时间便有可能丧命。那这种需要冬眠的生物是如何存活的呢?

乌龟之所以能够在温度很低的池塘中活下来,是因为它属于一种变温生物,即依靠外部热源的生物,它们在外部热源发生变化的情况下,自己也会跟随着这种变化而变化,但是我们也知道那些乌龟是用肺呼吸的,需要呼吸空气。在它冬眠时,又是怎样呼吸空气的呢?

通过研究,科学家发现,龟这种生物之所以能够在冰冷的水中度过冬眠时期,是受它们的体温与新陈代谢两者因素的影响,当这种生物处于冷水中的时候,其新陈代谢的能力是非常缓慢的,随着水的温度越来越低,其所具有的新陈代谢功能就会变得越来越缓慢,也正是因为如此,才让这种生物能在能量或者氧气较少的环境下也能够维持生存。

不仅如此,科学家们还发现,当这些乌龟进入冬眠状态的时候,必须借助之前所储存的能量,将其移动到与血管齐平的身体表面,此时就可以通过吸收池塘中的氧气来维持生存。在此需要说明的一点是,这种生物在冬眠状态下是不需要使用肺部进行呼吸的。

不过科学家在对众多乌龟种类进行研究的时候发现,并不是所有的龟都会随着水温的变化而变化。当这种生物在水中生存的时候,它们还需要面对两个问题,因为一旦水结上冰之后,在冰封的池塘中氧气含量是非常少的,尤其到了冬季,这些水池可能是严重缺氧的,其中有一些种类的龟能够面对含氧量极低的水,但是有一些乌龟则无法面对这种问题。其中能够适应这种缺氧状态的是鳄龟和彩绘龟,由于这两个生物可以利用新陈代谢转变成不需要氧气就能进行新陈代谢的状态,因此它们在缺氧的水中依然能够安然冬眠。这两种物龟种类可以在冷水温度下,承受一百多天的强制淹没,尤其是彩绘龟更具备强大耐缺氧性。

未来最濒危的脊椎动物?

人类的世界可能被某些失去的东西所标记,比如说乌龟。以美国地质调查局的杰弗里·洛维奇为首的生物学家团队在《生物科学》杂志中写道:“乌龟在这个现代世界中苟延残喘,但是它们的挣扎却从未被重视,甚至被刻意忽略。

乌龟的祖先可以追溯到2亿多年前,现在的356种乌龟中有接近61%的物种濒危或者已经灭绝。它们毫无争议地成为脊椎动物中最濒危的物种,它们的未来甚至比那些遭受困境而且得到广泛宣传的两栖动物还要危险。

研究人员哀叹称,无论是自然资源保护论者还是公众,都未发觉乌龟所面临的困境,但是他们所发表的这篇名为《所有的乌龟都去哪了,为何我们需要严肃对待》的文章,并不仅仅是一项呼吁人类保留一些不可替代的生物学遗产的恳求。更确切地说,洛维奇的团队从失去的生态学功能方面阐述了乌龟的灭绝问题。

他们还写道:“史前的乌龟种群有两个显著的特征,分别是大种群数和高生态量。比如说,历史上每公顷健康湿地中曾经含有接近1吨的水龟,而每公顷的陆龟生态量接近600公斤。相比之下,针对非洲大草原的一项食草动物研究估计,每公顷的乌龟生态量为199公斤。乌龟的总重量曾经超过大象。”

一系列的生态问题

这样一来就会引发一系列生态学问题。乌龟和它们富含脂肪的龟蛋供养着那些以它们为食的物种。它们腐烂后的身体会重新调节分配环境中的重要营养盐。洛维奇和同事们称:“乌龟或许在一些生态环境的矿物质循环中占据着重要的位置,去特别是在那些缺乏钙或者磷的生态环境。没有它们的存在,海滩和沙丘生态环境可能根本无以为继。”

乌龟也调节着它们赖以为食的植物和动物种群。一项针对江河口水龟的研究发现,由于水龟的消失,大量的盐碱滩在短短的8个月时间里就变成了泥滩。这一动态变化或许在许多环境中都能发现。研究人员在论文中写道:“乌龟消失的影响是深远的,而且能够造成营养盐减少、生态量结构改变、种群功能消失和入侵物种复辟等后果,所有这些对于生态系统的健康都是至关重要的。”

以植物为食的乌龟也在种子传播中扮演着重要的角色。包含马达加斯加岛的猴面包树在内的一些树木由于乌龟的消失而出现了衰退,水路沿岸的植被模式也在发生着变化。许多乌龟也是土壤生物搅动者,它们会挖掘洞穴并且移动土壤使其变得肥沃。它们的消失也会导致生物多样性的进一步降低。

此外,在那些温血鸟类和对能量需求较高的哺乳动物无法生存的栖息地中,乌龟独特的生理学,比如说缓慢的新陈代谢、资源短缺时的休眠能力,都能够让它们在那里维持巨大的种群数量。当乌龟消失之后,其它动物无法取代它们的位置。

研究人员写道:“随着世界的发展和演变,失去更多这些标志性的非凡幸存者真的会让这个世界变得让人感到悲哀。乌龟曾是灭绝恐龙的小行星撞击的幸存者,将来它们还能成为人类世界的幸存者吗?

乌龟是怎么翻身的?

乌龟与世界上最大的钢步子

靠自己翻身的一种方法就是,造出一个具有不倒翁功能的龟壳来,这样不管怎么翻身,最后龟龟们都可以稳稳地翻回来。也就是说,龟龟们要找到一个只有一个静态平衡点的物体。

什么是静态平衡点?你可以想象一下,不倒翁静止的时候,和桌面有几个接触点?是一个对吧,这个点就是一个静态平衡点。球的话有无数个静态平衡点。

不倒翁能不倒的原因是它的屁股重,重心很低。不倒翁虽然只有一个静态平衡点,但是不倒翁的秘诀在于,它的屁股比较大比较重,头很轻,因此摇摆一段时间后能稳定在平衡点上。可是,要找到一个全身密度均匀的不倒翁就不容易了。

这个问题,被命名为单单稳态形状问题。一开始,它是俄国数学家弗拉基米尔·阿诺尔德在1995年提出的。

阿诺尔德没往乌龟那处去想,只是单纯地从数学上提出了这个设想。一开始,大多数科学家也没考虑乌龟,他们认为单单稳态物体不可能存在,物体最少也有4个静态平衡点。

后来,普林斯顿大学的工程学教授想到了乌龟翻身的问题。他们想,乌龟之所以没有灭绝,它们的龟壳一定是一种天然的不倒翁,里面说不定可以找到天然的单单稳态物体。

为了证实这点,他们抓了30只包括印度星斑陆龟在内的不同品种的乌龟,每天不玩别的,就玩翻乌龟。他们发现,其中的大多数乌龟的龟壳都能幫它们翻身,特别是小印度星斑陆龟总能完全不借助外力和内力成功翻身,不管怎样都不会被玩坏。也就是说,这些小家伙们就是不倒翁体质的生物。

科学家通过这个耗时10年的研究,在印度星斑陆龟上找到了传说中的单单稳态形状。他们不但解决了一个悬而未决的数学问题,还解决了乌龟翻身的生物学问题。

通过印度星斑陆龟的灵感,他们制作出了这种单单稳态形状,并且把它命名为钢步子。钢步子全身上下是匀质的,但是它却有不倒翁的技能。钢步子获得了很多设计大奖,2010上海世博会匈牙利馆展出的镇馆之宝就是钢步子,这也是世界上最大的钢步子,大约有3米高。

不倒翁体质乌龟翻身法

他们还分析了乌龟翻身的技巧,发现乌龟的翻身方法主要分成3种。扁乌龟的翻身法:

如果某龟背甲的高度只有宽度的0.6以下,更容易游泳和挖洞,所以它可能是一只水龟,或者习惯住在泥里。

不过,扁平的龟壳也有明显的弱点。由于扁壳有2个平衡点,一个在背上,一个在肚子上,所以翻过来朝天的话也很稳,不容易翻回去。

曾夸口说可以用杠杆撬动地球的阿基米德告诉大家,杠杆越长,所需的力越小,因此你需要有一根长脖子,把它当成杠杆,用你的头当作支点,帮助自己翻身。

所以一般来说,扁壳的乌龟脖子更长,高壳的乌龟脖子比较短。侧颈龟类、鳄龟科和动胸龟科都是力量型的乌龟选手。

肿背甲乌龟的翻身法:

背甲高度如果达到宽度的0.8,那么龟壳看起来就比较肿,而这样的龟龟主要就是靠龟壳自然翻身,而不需要借助脖子当杠杆。

翻身时几乎不需要花费能量,速度也很快。这样臃肿的龟壳虽然更容易翻身,咬起来也容易扭伤肉食动物的下巴,但也更容易因重心不稳被顶翻,同时也不利于游泳和挖洞。也就是说,其龟壳比较适应于地面上的生活。

印度星龟、豹纹陆龟、射纹龟、一些陆龟属和箱龟属都是属于这一类。其他乌龟的翻身法:

如果龟甲的高度和宽度比在0.6和0.8之间,龟壳就有3个稳定平衡点(两侧背甲各一个,肚子上一个)。

那么在翻身时,依靠自身的形状,龟壳会自动转到侧面贴地的位置,然后这个龟龟就需要伸长脖子当作临门一脚。

沙龟属、大部分陆龟属和箱龟属用的就是这种混合法。


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