當海豚在海洋中游泳時，它看起來毫不費力。透過上下襬動尾巴，這些光滑的海洋哺乳動物以流暢的滑行向前推進，這會讓任何人類游泳者都羨慕不已。但是這種上下襬動的尾巴運動會對海豚的身體造成很大的壓力，壓縮其器官並將血壓脈衝傳送到其大腦。
現在，加拿大的研究人員提出了一個理論，解釋了鯨類動物（海豚、鯨魚和鼠海豚）如何保護它們的大腦免受這些游泳引起的血壓脈衝的影響。正如發表在《科學》雜誌上的一篇新論文中所描述的那樣，這一切都歸功於被稱為“奇網”（retia mirabilia）的特殊血管網路。
科學家們早就知道許多動物都有奇網。公元二世紀，希臘醫生蓋倫描述了這些結構並給它們起了名字，翻譯過來就是“奇妙的網”。事實上，奇網類似於由細靜脈和粗動脈組成的複雜網狀結構。它們可以在多種哺乳動物、鳥類和魚類中找到，但在人類中很少見。
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在大多數擁有奇網的動物中，奇網充當溫度調節機制，並且它們具有獨特的結構。“你幾乎可以想象畫一朵花，花有一個非常大的中心——比如向日葵，並把它想象成一個大型的中心管，周圍環繞著幾個較小的管，”貝勒大學的生物學家莎拉·基恩勒說，她沒有參與最近的研究。“這基本上就是我們所說的。”
基恩勒解釋說，大的中央動脈將溫暖的血液從身體的心臟輸送到四肢，而周圍的靜脈則將冷血朝相反的方向輸送。而且由於它們彼此相鄰，熱量在動脈和靜脈之間傳遞，以確保兩者都不會太冷或太熱。
基恩勒說，火烈鳥是受益於奇網的經典例子。“由於它們在夜間站在水中，[奇網]在它們的下肢中幫助防止所有冷水導致它們的體溫變得過低，”她補充道。在海洋哺乳動物中也發現了類似的奇網，有助於調節它們的鰭狀肢、舌頭和睪丸的溫度。
海豚和其他鯨類動物擁有額外的奇網，這些奇網盤繞在它們的肺部周圍，向上延伸到它們的脊柱並進入它們的大腦。這些特殊的網路與其他動物中的網路截然不同。首先，所涉及的血管要大得多，類似於蠕動的蠕蟲團。其次，它們似乎沒有起到溫度調節器的作用。
顯示白鯨奇網中主動脈和動脈的樹脂鑄件。圖片來源：韋恩·沃格爾
基恩勒說：“這個區域——這個通向大腦的胸腔區域——在哺乳動物中，尤其是在海洋哺乳動物中，研究和識別的程度要低得多。”她補充說，關於該區域結構的功能存在許多假設，但沒有一種解釋得到很好的驗證或被廣泛接受。《科學》新論文的作者認為他們已經找到了答案。
研究人員觀察了11種不同的鯨類動物的內部生物結構，包括長鬚鯨和瓶鼻海豚。其中一些動物是由這些科學家解剖的，而另一些動物則是由其他生物學家作為先前研究的一部分進行分析的。“所有都是已經死亡的動物，”其中大多數是擱淺死亡的，不列顛哥倫比亞大學的生物力學研究員、論文的合著者羅伯特·沙德威克說。
分析所有這些鯨類動物的內臟需要一些時間。“這項研究歷時大約10年才得以完成——實際上超過10年了，”不列顛哥倫比亞大學的生物學家、也參與這項研究的韋恩·沃格爾說。
根據他們的分析，研究人員現在認為，在鯨類動物大腦周圍發現的這些先前令人費解的奇網之一，很可能是為了適應游泳的身體需求而形成的。
鯨魚、海豚和鼠海豚是從曾經生活在陸地上的哺乳動物進化而來的。數千萬年前，鯨類動物的祖先放棄了陸地生活，轉而選擇了開闊的海洋。對於這些哺乳動物來說，過渡到水生生活並非易事；它需要許多特殊的適應。
這些生物必須克服的一個挑戰是游泳對身體造成的壓力。如前所述，海豚透過上下推動它們的大尾巴來向前推進，這會導致這種壓力。今天的其他鯨類動物也是如此。“體腔都在脊柱下方，因此在向下划水時，脊柱下方的所有東西都會被擠壓，”沙德威克說。“而在向上划水時，它會被鬆開。”
沙德威克解釋說，這種收縮和放鬆是巨大壓力的來源——不僅對鯨類動物的器官，而且對周圍的血管也是如此。埃裡克·埃克代爾是聖地亞哥州立大學的生物學家和古生物學家，他沒有參與這項研究，他將這一過程比作仰臥起坐。“當我們做仰臥起坐或仰臥起坐時，我們會壓縮我們的腹腔，”他說。“我們吸一口氣，然後當我們做仰臥起坐時，我們會呼氣，這樣可以減輕一些壓力。”
但是海洋哺乳動物沒有呼氣的奢侈。除了浮出水面呼吸的時刻外，鯨類動物在游泳時必須屏住呼吸。那麼，鯨類動物如何管理由它們尾巴抽打引起的內部壓力呢？特別是，當每次向下划水產生的血壓脈衝到達顱骨時，它們如何確保不會導致腦損傷呢？
這就是奇網發揮作用的地方。沙德威克和他的同事假設，位於鯨類動物大腦旁邊的這些海綿狀網路之一可以減輕血液流經時的壓力脈衝。具體來說，研究人員提出，這個奇網（“奇網”的單數形式）以保護大腦免受損害的方式將脈衝從靜脈轉移到相鄰的動脈。
為了驗證這一說法，研究人員根據他們觀察到的11個物種的內部生物結構開發了一個計算機模型。事實上，他們發現他們假設的壓力傳遞系統起作用了：它可以保護動物的大腦免受 97% 的壓力脈衝的影響。他們現在確信，他們已經找到了鯨類動物“奇妙的網”長期以來尋求的秘密用途。
沃格爾還指出，屬於不同海洋哺乳動物群體的海豹，它們的大腦周圍沒有奇網。這進一步支援了該團隊關於該網路功能的假設。當鯨類動物上下襬動尾巴時，會將其器官壓在脊柱上，而海豹左右擺動尾巴，這不會引起相同的內部壓力。海豹不需要調節與游泳相關的血液脈衝——如果這就是顱骨奇網的作用，那麼就可以解釋為什麼海豹沒有奇網了。
沃格爾推測，鯨類動物的祖先在進入海洋之前，可能就已經有通向大腦的奇網了——但這個網路在陸地上具有不同的用途。“我懷疑它曾經可能是溫度調節的，並且功能發生了變化，”沃格爾說。
但是，研究哺乳動物向海洋進化過渡的埃克代爾並不確定這一點。他懷疑鯨類動物的陸地祖先並沒有奇網從脊柱向上延伸到大腦，而這個網路只是在那些哺乳動物進入海洋並不得不適應無呼吸游泳後才形成的。“它可能是一種新的結構——一種適應水生生活的新適應，”他說。但他承認，不可能確切知道這種結構是什麼時候形成的，因為血管等軟組織不會儲存在化石記錄中。
儘管在起源問題上採取了不同的立場，埃克代爾表示，他認為這篇新論文對鯨魚和海豚大腦周圍曾經神秘、不可否認的奇妙血管網路的功能給出了合理的解釋。“我認為這對於完全水生的哺乳動物的特定問題來說是一種巧妙的解決方案，”埃克代爾說。