二十年前,在一间位于地下室的实验室里,年轻的科学家瞪着一具尸体,从中看见了自己的命运。
大卫·卡利尔,当时还是犹他州立大学的一名本科生,面对着兔子的尸体,琢磨其臀部附近骨骼结构的用处。他很困惑,因为它们本来不应该在那儿。大卫师从丹尼斯·布兰布尔教授学习进化生物学,清楚哺乳动物腹腔周边的结构。膈膜上的大块肌肉固定在强有力的结构上,它们跟腰椎紧密相连,就像船帆跟桅杆相连那样。
从巨大的鲸到袋熊,所有哺乳动物的身体结构都应该是这样的——可他面前的这只兔子并非如此:它的腹肌并没有连在坚固的腰椎上,而是和臀部附近这些长得像鸡翅骨的结构相连。
大卫伸出手指按了按,像弹簧,按下去再放开,立刻就能弹回来。
然而那么多哺乳动物,为什么只有兔子在腹部进化出了这样的弹簧呢?
“这让我开始思考它们奔跑时的动作:每向前跳出一步,都要把后背蜷曲起来。”卡利尔后来告诉我,“当它们蹬直后腿时,背部会彻底舒展,而前腿着地时,背部就立刻蜷成弓形。”许多哺乳动物都能做出这样的动作,就连鲸和海豚的尾鳍都是上下弹动,而不像鱼类的尾鳍那样左右摆动。“想象猎豹奔驰的样子。这些都是典型。”
不错,大卫的发现看来有点意义。大型猫科动物和小兔子的奔跑方式都差不多,然而兔子的膈肌连接在弹簧一样的结构上,猫科动物的则直接连接在腰椎上。猫科动物跑得很快,但兔子必须跑得更快,至少要能短时间维持更快的速度。为什么?原因很简单:如果美洲狮能够追上所有的兔子,那兔子很快就会消失,美洲狮也会随之消失。和其他善跑的哺乳动物不同,兔子还有一项天生的劣势:它们不具备任何自卫武器,没有犄角,没有尖利的蹄子,也并不群居。
如果没能及时逃脱,就会沦为猫科动物的口中餐。
好吧,大卫想,或许这“弹簧”跟奔跑速度有关。怎样才能跑得快?大卫开始分析相关因素。符合空气动力学的流线型身体。快速的反射神经。强有力的后腿。高密度的毛细血管、收缩自如的肌肉纤维。小而敏捷的脚掌。弹性强的韧带、精瘦的脚掌附近肌肉、精壮的关节附近肌肉……
该死的。大卫很快就发现了问题。跟快速奔跑相关的身体特性非常多,但这些兔子和捕食它们的动物都具备。他找到的并不是二者之间的区别,而是共性。于是他想到布兰布尔教授教给他的技巧:没法回答某个问题时,不妨反向思考。怎样才能跑得快——那么什么会让你慢下来?毕竟,兔子不仅需要跑得快,还需要维持疾速直到找到藏身之处。
这个问题就很容易回答了:除了绑缚,能让一只快速奔跑的哺乳动物停下来,最简单的方法就是切断它的呼吸道。没有氧气,就不可能维持奔跑的速度:你不妨试试屏住呼吸冲刺,看能跑多远。
肌肉需要氧气来制造能量,所以进行气体交换——摄入氧气,排出二氧化碳——的能力越强,就越能长时间维持奔跑速度。这正是许多环法车手非法注射红细胞的原因:可以大大增强肌肉的供氧能力。
慢着……这意味着兔子要想跑在捕食者前面,就必须拥有比后者更高效的气体交换机制。大卫想到了维多利亚时代科幻小说里的那种喷气式飞行机器,上面布满了活塞、蒸汽阀门和杠杆。杠杆!
这正是那些骨骼结构的意义:在兔子奔跑时,它们会起到杠杆作用,帮助肺快速吸入和排出气体,就像火炉的鼓风箱。
大卫开始查找相关数据……太棒了!数据完全支持他的推测:北美大野兔的奔跑速度可以达到每小时四十五英里以上,但由于气体交换杠杆的运转需要极大的能量(以及其他一些原因),它们只能坚持奔跑八百米左右。而美洲狮、郊狼和狐狸可以连续奔跑的距离要长得多,但是最大速度只能达到每小时四十英里。这就显示出气体交换杠杆的关键作用:领先捕食者几十秒,寻找藏身之处。小兔子,赶紧找洞躲起来,千万别骄傲轻敌,你只有不到一分钟的机会脱离猛爪。
大卫继续思索:“拿掉这些杠杆,兔子的身体构造不就与其他哺乳动物的一样了吗?”或许这就是它们的膈肌跟腰椎彼此连接的原因——不在于腰椎的稳固,而在于其伸缩。因为腰椎是屈曲的!
“很明显,动物在奔跑过程中屈伸脊椎的目的,并不仅仅为了增加推力,还有助于气体交换。”大卫解释道。他想象一只羚羊正在尘土弥漫的大草原上拼命奔跑,一团影子迅速移动,紧追不舍。
他聚焦到那团影子上,一帧一帧播放出它的动作:
啪——猎豹的身体完全舒展,胸腔充分扩张,肺部充满空气……
啪——猎豹的前腿向后甩去,前爪和后爪交叠,脊椎弯曲成弓形,胸腔收缩到最小,排出肺内富含二氧化碳的空气……
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