科普知识 /
恐龙为什么体型巨大
2019-04-08

       距今约1.5亿年前,地球上的统治者是恐龙,而其中的主角则是蜥脚类恐龙。蜥脚类恐龙是一种草食恐龙,身长最大的超过30米,脖子和尾巴很长,粗壮的四肢支撑着如酒桶般的身躯,这个家族中还包括了粱龙、腕龙、雷龙。

体现自然选择的矛盾

       长期以来,生物学家对蜥脚类恐龙前所未有的庞大身躯充满了种种困惑。它们怎样具有如此庞大的体型?地球上其它陆地动物为何达不到如此吨位?现在,地球上最大的陆地动物是非洲象,重量不过在6吨左右。即便在恐龙家族,蜥脚类恐龙也属于重量级。成年霸王龙重量只有7吨,而最大的非蜥脚类恐龙、称为巨型山东龙的中国恐龙重量也不过16吨。

       在德国波恩大学古生物学家马丁·桑德(Martin Sander)公布他的研究结果之前,这些疑问一直没有令人信服的答案。桑德说:在恐龙体态演变问题上,我们现在的理论条理更清晰。过去六年,桑德领导一个国际科学家小组一直在破解蜥脚类恐龙之谜。他们的研究结果表明,蜥脚类恐龙具有许多独特的生物特征,在这些特征的共同作用下,它们拥有了无与伦比的庞大身躯。

       桑德的研究是从19世纪古生物学家爱德华·德林克·科普的观察结果开始的。科普注意到,动物的躯体随着进化发展而增大,这一理论被称为科普法则。中国北京脊椎动物古生物学与古人类学研究所科普法则专家戴维·霍尼(David Hone)认为,体型庞大具有许多进化优势。他解释说:它们不易成为捕食对象,在寻找食物或交配对象时比竞争对手更有优势。我们还知道,大型动物一般更易遭遇灭绝的威胁。

面临更多挑战

        与身躯娇小的动物相比,大型动物吃得更多,繁殖速度更慢,一旦遇到困难或食物短缺,会面临更大的问题。美国布朗大学古生物学家克里斯丁·贾尼斯(Christine Janis)说:像巨犀这样的身躯庞大的哺乳动物,它们的化石记录历史更短,而身躯娇小的哺乳动物的化石记录则更久。所以,一方面,自然选择促使动物身体越长越大,另一方面,动物因走上这条道路而得到惩罚。这种对立力量之间的均衡避免大多数陆地动物的体重超过10吨。

       体型庞大还带来其他一些问题。它们如何支撑自己庞大的身躯?身体所需要的食物和氧气又从哪里来?蜥脚类恐龙以其特有的方式克服了上述所有的挑战。蜥脚类恐龙最早出现在距今约2.2亿年前,很快长成了庞然大物。已知最早的蜥脚类恐龙是距今2.1亿年、15吨重的伊森龙。

       20世纪90年代,贾尼斯的研究发现,蜥脚类恐龙身躯庞大的一个重要因素是其独一无二的繁殖方式。同所有的恐龙一样,蜥脚类恐龙也下蛋。贾尼斯解释说:哺乳动物体型越大,后代就越少。但是,大型恐龙可以同时拥有许多蛋和幼仔。虽然恐龙体型在不断增长,可幼仔的数量并没有减少。

        类似年轮的生长线

       大象每四年产下一头幼仔,而在同一时间段,恐龙可以下数百个蛋。这样一来,蜥脚类恐龙就可以消除因其身躯庞大带来的一个危险。数量是蜥脚类恐龙在面临危机时,相比于大型哺乳动物具有更快反弹的潜力。支持贾尼斯这一论断的证据来自于对恐龙蛋化石的研究。蜥脚类恐龙留下了令人吃惊的恐龙蛋和窝的详细记录,有时里面还有保存完好的胚胎。恐龙蛋一般有鸵鸟蛋大小,一窝八个蛋。

        蜥脚类恐龙巢穴并没有显露出亲代抚育的迹象,这进一步增强了成年蜥脚类恐龙繁殖更多后代的能力。但是,下蛋和缺乏亲代抚育并不能完全解释下蛋和不照顾幼仔的原因。于是,桑德又从其他方面入手欲进一步揭开这个谜团。他发现,身躯庞大似乎可以让蜥脚类恐龙生长速度更快。为了解恐龙增长速度,桑德研究团队利用显微镜对恐龙骨骼进行了检查。

       大多数恐龙的骨骼上都有类似树木年轮的生长线(growth line)。根据桑德最后得出的结论,蜥脚类恐龙的新陈代谢很快,使它们可以相对快速地获得庞大体型。他说:其它类型的恐龙都没有蜥脚类恐龙这么高的增长速度。桑德的研究小组对一种重达30吨、名为马门溪龙的亚洲蜥脚类恐龙进行了研究,研究结果表明这种快速的生长可以转化为惊人的体重增加。马门溪龙一年的体重最多可以增加2吨。相比之下,非洲象一年体重不过增加200公斤。

       与鸟类一样复杂的肺泡

       生长速度快当然有很多好处,可一旦动物拥有庞大身躯,它们如何应对身体和生活方式的需要?蜥脚类恐龙全都符合相同的基本身体构造:脖子长,脑袋小,庞大的体型如酒桶一般,腿部粗壮结实。桑德及其他研究人员认为,蜥脚类恐龙独特的身体结构是其具有庞大身躯的重要原因。

20世纪80年代,芬兰赫尔辛基大学的杰伊·霍坎南(Jyrki Hokkanen)揭开了这个问题——如何支撑和移动庞大身躯——的谜底。通过分析大型动物的骨骼和肌肉力量,霍坎南发现,即便是体型最大的蜥脚类恐龙,它们的躯体也远未达到理论上限。他说:腕龙的体型起码是别的恐龙的好几倍,但仍在陆地上行走。所以,尽管大型蜥脚类恐龙笨重不灵活,但这一缺陷并没有抑制它们向更大的身躯发展。

        一个相关问题是大型蜥脚类恐龙如何获得足够的氧气。2003年,美国俄克拉何马州萨姆诺贝尔自然历史博物馆的马休·威德尔(Mathew Wedel)破解了这一谜团。威德尔发现,蜥脚类恐龙的肺部像鸟类一样。鸟类的呼吸效率远远超过哺乳动物。蜥脚类恐龙吸气时,空气充满肺部和体内的肺泡。也就是说,蜥脚类恐龙肺部的新鲜空气会不停流动,每次呼吸获得的氧气量是哺乳动物的2.5倍。威德尔说:蜥脚类恐龙拥有一套肺泡系统,且它们同鸟类的肺泡一样复杂。

恐龙时代的精英

       蜥脚类恐龙独特的身体结构则解释了这种80吨重的庞然大物如何可以获得足够的食物。当今地球上最大的陆地动物都是食草动物,靠吃进大量没有营养的植物生存。这便要求食草动物不停地吃下去。例如,大象一天当中有18个小时在吃东西,每天消耗掉200公斤的植物。按照这些大型食草动物的标准,蜥脚类恐龙要吃饱一天至少要吞下1吨植物,它们怎么能做到这一点?

       桑德发现,蜥脚类恐龙像长颈鹿一样的脖子和小脑袋此时起了关键作用。脊椎轻可以让蜥脚类恐龙的脖子长得更长,增加了捕食范围。如此一来,蜥脚类恐龙站着不动,它们的脖子照样可以上下左右觅食,从而节省了体力。此外,蜥脚类恐龙不是咀嚼食物,而是用挂钩似的牙齿将枝叶从植物上咬下来,整个吞入腹中。

       正是由于独特的繁殖和生长方式及身体机构,蜥脚类恐龙才能克服庞大身躯带来的诸多限制。毫不夸张地说,蜥脚类恐龙就是恐龙时代的精英

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