脊椎动物的主要类群
清晨的池塘边，一条鲫鱼在水中转向，一只青蛙跃上岸，草丛里的蜥蜴晒着太阳，白鹭从水面掠过，远处的小狗追着主人奔跑。它们的生活环境、运动方式和外形差别很大，体内却都有一条由许多脊椎骨组成的脊柱，都属于脊椎动物。
不过，有脊柱只是把它们放进同一个“大圈”。要继续分成鱼类、两栖类、爬行类、鸟类和哺乳类，不能只看“住在哪里”“会不会飞”，而要寻找能稳定反映生活方式的证据：体表怎样减少阻力或水分散失，用什么器官呼吸，怎样运动，生殖和发育是否依赖水，怎样保持体温、抚育后代。
先看总图，试着只凭动物所在的位置分类；再观察每类动物旁边的结构线索，你可能会改变第一次判断。
海马在水里生活，却不是“马”；鲸能游泳，常被称作“鲸鱼”，却是哺乳动物；企鹅不会飞，仍是鸟；蝙蝠会飞，却不是鸟。可见，名称、栖息地和某一种运动方式都不能单独作为可靠的分类依据。
鱼：减小水的阻力，用鳃获得氧
如果把一块宽木板和一根两头较尖的纺锤同时推入水中，哪一个阻力较小？多数鱼的身体分为头部、躯干部和尾部，躯干部和尾部的轮廓逐渐变窄，整体近似流线形，有利于减小游泳时的阻力。体表常有鳞片覆盖，鳞片表面有黏液，也有保护和减小阻力的作用。
鱼向前运动主要依靠躯干部和尾部的摆动产生推进力，各种鳍相互协调，帮助维持平衡、改变方向。把“鳍”笼统写成唯一动力并不准确；观察鱼直线前进、转弯和停住时身体各部分的动作，才能把推进与协调区分开。
下面这幅图把鱼在水中的两个难题放在一起：一边是怎样运动，一边是怎样从水中获得氧。
图为教学示意，不按比例；鱼体外的绕流与从口经鳃流出的水流是不同路径。
以鲫鱼为例，水从口进入，由鳃盖后缘流出，经过鳃时与鳃丝充分接触。鳃丝数量多，展开后的总面积大，内部有丰富的毛细血管，表面很薄，这些特点都有利于水中的溶解氧进入血液、血液中的二氧化碳排到水中。鳃适合在水中展开；离开水后，鳃丝容易黏结，接触空气的有效面积变小，所以鱼即使周围有空气，也会因不能正常进行气体交换而缺氧。
在交互实验中先预测低氧水域里鱼的鳃盖开合频率，再改变条件。不要急着把“开合更快”说成“获得的氧一定更多”——它首先表明鱼加强了让水流经鳃的动作，是对低氧环境的反应。
由这些证据可概括鱼的主要特征：生活在水中，体表常有鳞片覆盖，用鳃呼吸，通过躯干部和尾部的摆动以及鳍的协调作用游泳。鲫鱼、鲤鱼、鲨鱼和海马都属于鱼类；章鱼、鲍鱼是软体动物，鲸和海豚是哺乳动物，不能因名称或外形把它们混入鱼类。
两栖动物与爬行动物：都能上岸，依赖水的程度不同
“两栖”很容易被理解成“只要水里、陆地都能活动”。照这个标准，龟、鳄、企鹅甚至水獭都要算两栖动物，显然失去了分类意义。真正有辨别力的是一个完整生活史中的呼吸和生殖发育证据。
青蛙的受精卵通常在水中发育。蝌蚪生活在水中，用鳃呼吸，形态和生活方式与成蛙差异明显；发育过程中长出四肢，尾逐渐消失，呼吸器官也发生变化。成蛙大多能在陆地生活，用肺呼吸，但肺的结构较简单，还需要湿润的皮肤辅助呼吸。
观察下图时，沿箭头逐阶段问：“生活在哪里？用什么呼吸？”这比只背“水陆两栖”更可靠。
图为阶段示意，不是同一个体的连续实拍，各阶段大小不按比例。
青蛙、蟾蜍、大鲵和蝾螈属于两栖动物。它们的共同要点是：幼体生活在水中，用鳃呼吸；成体大多生活在陆地，也可在水中游泳，用肺呼吸，皮肤可辅助呼吸。多数两栖动物的生殖和幼体发育离不开水，因此干旱、污染和湿地减少会同时威胁它们的繁殖场所与成体栖息地。
蜥蜴、蛇、龟和鳄属于爬行动物。它们的皮肤干燥，体表覆盖角质的鳞片或甲，能减少体内水分散失；用肺呼吸；大多数在陆地上产卵，卵外有坚韧的卵壳，能保护内部并减少水分散失。与青蛙相比，这些证据说明爬行动物的生殖和发育对水环境的依赖明显减弱，因而是真正适应陆地生活的脊椎动物。
图比较青蛙和蜥蜴的典型特征，不是呼吸器官解剖图。
两栖动物的“皮肤裸露、能辅助呼吸”与爬行动物的“体表有角质鳞片或甲、能减少水分散失”作用不同。鱼鳞与爬行动物的角质鳞片也不能因为都叫“鳞片”就看成完全相同的结构。
把两种动物的证据亲手配对，你会发现决定“登陆程度”的不只是成体能否上岸，更关键的是呼吸、体表以及整个生殖发育过程。
鸟：飞行是一组结构共同完成的任务
一只鸟起飞时，要克服重力、减小空气阻力，还要持续获得大量能量和氧。单有翅膀并不够。鸟的身体多呈流线形，体表覆羽，前肢变成翼；翼上较大的羽毛形成宽阔的翼面。胸肌发达，能牵动两翼。骨骼轻、薄而坚固，有些骨内部中空，有助于减轻身体质量。
请沿图中的四条线索分别寻找它解决的难题：流线形对应减阻，翼和胸肌对应飞行动力，轻薄骨骼对应减重，呼吸和消化等生理活动则为持续飞行提供物质和能量条件。
图为局部结构与功能的教学示意，不按比例，不用于判断肌肉和骨骼的精确位置。
鸟用肺呼吸，与肺相通的气囊能储存空气并辅助呼吸，使空气较充分地经过肺。要特别分清：肺是进行气体交换的场所，气囊的作用是辅助呼吸，本身不进行气体交换。鸟食量较大、消化能力强，能为飞行提供能量；有喙无齿，食物经消化吸收后，残渣很快形成粪便排出，也有利于减轻飞行负担。
图表示肺与气囊的功能关系，不表示各气囊的精确数量、位置或完整气流路径；气囊辅助呼吸，气体交换在肺内进行。
鸟的体温不会随环境温度的变化而大幅改变，属于恒温动物。恒定的体温有利于维持稳定的代谢水平，使鸟能在较广的温度范围内活动。鸟卵外有卵壳保护。综合起来，鸟的主要特征可概括为：体温恒定，体表覆羽，前肢变成翼，有喙无齿，有气囊辅助肺呼吸。企鹅和鸵鸟虽不能飞行，仍具有鸟类的基本特征；“会飞”也不是鸟类独有的证据。
哺乳动物：把幼崽带到更安全的起点
兔、猫、鲸和蝙蝠外形不同，却有一组共同而有辨别力的证据。多数哺乳动物体表被毛，毛与体温恒定相配合，有保温作用；用肺呼吸；绝大多数以胎生方式繁殖，雌性用乳汁哺育幼仔。胚胎在母体内得到保护和营养，出生后又能获得乳汁，因此胎生、哺乳提高了后代的成活率。这不意味着每窝后代一定很多，也不能把少数特殊种类当成否定共同特征的理由。
再观察牙齿。兔的门齿适于切断植物，臼齿适于磨碎食物；狼、虎等肉食动物的犬齿发达，适于撕裂食物。哺乳动物牙齿有门齿、犬齿和臼齿的分化，使取食和消化准备更有效，也反映了结构与食性的适应。
图为典型特征示意，不是所有哺乳动物都具有图示的全部牙齿；兔没有犬齿，绝大多数哺乳动物胎生，雌性以乳汁哺育幼仔。
鲸的身体像鱼、终生生活在水中，但它用肺呼吸、胎生并哺乳；蝙蝠有翼膜能飞，但体表被毛、胎生并哺乳。分类时，后一组证据比“会游”“会飞”更稳定。按本教材，哺乳动物的主要特征可概括为：体表被毛，体温恒定；胎生、哺乳；牙齿有门齿、犬齿和臼齿等的分化。这是主要类群特征的概括，不表示每种动物都具有全部典型外形：鲸等少数水生种类体毛退化，胎生适用于绝大多数哺乳动物，兔没有犬齿。
鸟和哺乳动物都是恒温动物，却不能只凭恒温把两者合成一类。进入推理台，把每一项结构放回它真正解决的问题，再用企鹅、蝙蝠和鲸检验你的分类标准。
从“背五行”走向“读证据”
五类脊椎动物的比较不是一条谁“更高级”的排行榜。面对一种陌生动物，可以依次寻找：它是否有脊柱；呼吸器官是什么；体表结构解决了什么环境难题；生殖发育在哪里完成；体温是否相对恒定。证据越能贯穿完整生活史，分类就越可靠。
表格适合回看，却不能代替推理。例如，鸟和哺乳动物都用肺呼吸、体温恒定，仍要靠覆羽或被毛、卵生或胎生哺乳等更多证据继续区分；鱼、两栖动物和爬行动物都属于变温动物，也绝不能因此并成一类。所谓变温，是体温随外界温度改变而发生较明显变化，并不是“没有体温”；恒温则是体温保持相对稳定，并不表示任何时刻都完全相同。
还可以从“同一难题，不同办法”理解多样性。水中缺氧时，鱼用鳃的大面积薄表面交换气体；陆地干燥时，爬行动物用角质鳞片或甲减少失水；鸟面对高耗能飞行，以一整套体形、运动、呼吸结构协同解决；哺乳动物则通过胎生和哺乳给幼体更多保护。各种结构不是孤立零件，而是与动物的生活方式彼此配合。
这些动物与人类生活密切相关。鱼类和家禽家畜可提供食物，许多青蛙、鸟和食虫哺乳动物能捕食农林害虫，部分动物参与传粉、传播种子或维持食物网；仿生研究也从鱼的游动、鸟的飞行获得启发。另一方面，某些动物可能损害作物或传播病原体。正确态度不是简单分成“有益”和“有害”后任意捕杀，而是尊重生态关系，保护栖息地，合理利用资源，不食用和交易受保护的野生动物。
判断类群时，先看结构和生活史证据，再看外形与行为；解释适应时，要把“结构—功能—环境难题”连成一句完整的话。
本章练习
1
下列哪一种与另外三种不属于同一脊椎动物类群？
2
鲫鱼适于水中生活的证据包括哪些？
3
凡是既能在水中活动又能在陆地生活的动物，都属于两栖动物。
4
与青蛙相比，蜥蜴更适于陆地生活的一组证据是？
第 5 题：从生活史图中分类
资料甲显示某动物幼体生活在水中、用鳃呼吸，成体大多上岸、用肺呼吸且皮肤辅助呼吸。资料乙显示另一动物体表覆盖角质鳞片，在陆地产卵，卵外有坚韧卵壳，幼体与成体都用肺呼吸。甲、乙分别属于哪一类？哪一项证据最能说明乙对水的依赖较小？
第 6 题：鸟的气囊能直接完成气体交换吗
某同学看到空气会进入鸟的气囊，便说“气囊是鸟进行气体交换的主要场所”。请纠正并说明气囊对飞行的意义。
第 7 题：用牙齿推测食性
观察两副哺乳动物头骨：A 的门齿和臼齿发达，犬齿不明显；B 的犬齿尖锐，臼齿有锋利齿尖。推测它们更可能分别以什么食物为主，并写出依据。
第 8 题：鳃盖开合频率资料
以下是用于练习读图推理的假设数据，不是真实实验记录，也不代表所有鱼类的定量规律。设同一种鱼在其他条件相同的适宜温度下：水中溶解氧为 8 mg/L 时，鳃盖每分钟开合 72 次；5 mg/L 时为 96 次；3 mg/L 时为 131 次。由此能得出什么结论？为什么不能据此断言“开合越快，鱼吸收的氧越多”？
第 9 题：设计一个公平的模型探究
用相同大小的橡皮泥做“纺锤形”和“方块形”两个模型，比较它们在水中运动所受阻力。请写出需要控制相同的两个条件、要改变的条件和可记录的一个现象。