探秘蜥腳類恐龍為何有巨大的體型

  距今約1 5億年前,地球上的統治者是恐龍,而其中的主角則是蜥腳類恐龍

  蜥腳類恐龍是一種草食恐龍,身長最大的超過30米,脖子和尾巴很長,粗壯的四肢支撐著如酒桶般的身軀,這個家族中還包括了粱龍、腕龍、雷龍。

  體現自然選擇的矛盾

  長期以來,生物學家對蜥腳類恐龍前所未有的龐大身軀充滿了種種困惑。

  它們怎樣具有如此龐大的體型?地球上其它陸地動物為何達不到如此“噸位”?

  現在,地球上最大的陸地動物是非洲象,重量不過在6噸左右。即便在恐龍家族,蜥腳類恐龍也屬於重量級。

  成年霸王龍重量只有7噸,而最大的非蜥腳類恐龍、稱為巨型山東龍的中國恐龍重量也不過16噸。

  在德國波恩大學古生物學家馬丁·桑德(Martin Sander)公佈他的研究結果之前,這些疑問一直沒有令人信服的答案。

  桑德說:“在恐龍體態演變問題上,我們現在的理論條理更清晰。”

  過去六年,桑德領導一個國際科學家小組一直在破解蜥腳類恐龍之謎。

  他們的研究結果表明,蜥腳類恐龍具有許多獨特的生物特徵,在這些特徵的共同作用下,它們擁有了無與倫比的龐大身軀。

  桑德的研究是從19世紀古生物學家愛德華·德林克·科普的觀察結果開始的。科普注意到,動物的軀體隨著進化發展而增大,這一理論被稱為“科普法則”。

  中國北京脊椎動物古生物學與古人類學研究所科普法則專家戴維·霍尼(David Hone)認為,體型龐大具有許多進化優勢。

  他解釋說:“它們不易成為捕食對象,在尋找食物或交配對像時比競爭對手更有優勢。我們還知道,大型動物一般更易遭遇滅絕的威脅。”

  面臨更多挑戰

  與身軀嬌小的動物相比,大型動物吃得更多,繁殖速度更慢,一旦遇到困難或食物短缺,會面臨更大的問題。

  美國布朗大學古生物學家克裡斯丁·賈尼斯(Christine Janis)說:“像巨犀這樣的身軀龐大的哺乳動物,它們的化石記錄歷史更短,而身軀嬌小的哺乳動物的化石記錄則更久。”

  所以,一方面,自然選擇促使動物身體越長越大,另一方面,動物因走上這條道路而得到懲罰。這種對立力量之間的均衡避免大多數陸地動物的體重超過10噸。

  體型龐大還帶來其他一些問題。它們如何支撐自己龐大的身軀?身體所需要的食物和氧氣又從哪裡來?蜥腳類恐龍以其特有的方式克服了上述所有的挑戰。

  蜥腳類恐龍最早出現在距今約2.2億年前,很快長成了龐然大物。已知最早的蜥腳類恐龍是距今2.1億年、15噸重的伊森龍。

  20世紀90年代,賈尼斯的研究發現,蜥腳類恐龍身軀龐大的一個重要因素是其獨一無二的繁殖方式。同所有的恐龍一樣,蜥腳類恐龍也下蛋。

  賈尼斯解釋說:“哺乳動物體型越大,後代就越少。但是,大型恐龍可以同時擁有許多蛋和幼仔。雖然恐龍體型在不斷增長,可幼仔的數量並沒有減少。”

  類似年輪的生長線

  大象每四年產下一頭幼仔,而在同一時間段,恐龍可以下數百個蛋。這樣一來,蜥腳類恐龍就可以消除因其身軀龐大帶來的一個危險。

  數量是蜥腳類恐龍在面臨危機時,相比於大型哺乳動物具有更快反彈的潛力。

  支持賈尼斯這一論斷的證據來自於對恐龍蛋化石的研究。蜥腳類恐龍留下了令人吃驚的恐龍蛋和窩的詳細記錄,有時裡面還有保存完好的胚胎。

  恐龍蛋一般有鴕鳥蛋大小,一窩八個蛋。蜥腳類恐龍巢穴並沒有顯露出親代撫育的跡象,這進一步增強了成年蜥腳類恐龍繁殖更多後代的能力。

  但是,下蛋和缺乏親代撫育並不能完全解釋下蛋和不照顧幼仔的原因。

  於是,桑德又從其他方面入手欲進一步揭開這個謎團。他發現,身軀龐大似乎可以讓蜥腳類恐龍生長速度更快。

  為瞭解恐龍增長速度,桑德研究團隊利用顯微鏡對恐龍骨骼進行了檢查。

  大多數恐龍的骨骼上都有類似樹木年輪的生長線(growth line)。

  根據桑德最後得出的結論,蜥腳類恐龍的新陳代謝很快,使它們可以相對快速地獲得龐大體型。

  他說:“其它類型的恐龍都沒有蜥腳類恐龍這麼高的增長速度。”

  桑德的研究小組對一種重達30噸、名為馬門溪龍的亞洲蜥腳類恐龍進行了研究,研究結果表明這種快速的生長可以轉化為驚人的體重增加。

  馬門溪龍一年的體重最多可以增加2噸。相比之下,非洲像一年體重不過增加200公斤。

  與鳥類一樣複雜的肺泡

  生長速度快當然有很多好處,可一旦動物擁有龐大身軀,它們如何應對身體和生活方式的需要?

  蜥腳類恐龍全都符合相同的基本身體構造:脖子長,腦袋小,龐大的體型如酒桶一般,腿部粗壯結實。

  桑德及其他研究人員認為,蜥腳類恐龍獨特的身體結構是其具有龐大身軀的重要原因。

  20世紀80年代,芬蘭赫爾辛基大學的傑伊·霍坎南(Jyrki Hokkanen)揭開了這個問題——如何支撐和移動龐大身軀——的謎底。

  通過分析大型動物的骨骼和肌肉力量,霍坎南發現,即便是體型最大的蜥腳類恐龍,它們的軀體也遠未達到理論上限。

  他說:“腕龍的體型起碼是別的恐龍的好幾倍,但仍在陸地上行走。”所以,儘管大型蜥腳類恐龍笨重不靈活,但這一缺陷並沒有抑制它們向更大的身軀發展。

  一個相關問題是大型蜥腳類恐龍如何獲得足夠的氧氣。2003年,美國俄克拉何馬州薩姆諾貝爾自然歷史博物館的馬休·威德爾(Mathew Wedel)破解了這一謎團。

  威德爾發現,蜥腳類恐龍的肺部像鳥類一樣。鳥類的呼吸效率遠遠超過哺乳動物。

  蜥腳類恐龍吸氣時,空氣充滿肺部和體內的肺泡。

  也就是說,蜥腳類恐龍肺部的新鮮空氣會不停流動,每次呼吸獲得的氧氣量是哺乳動物的2.5倍。

  威德爾說:“蜥腳類恐龍擁有一套肺泡系統,且它們同鳥類的肺泡一樣複雜。”

  恐龍時代的精英

  蜥腳類恐龍獨特的身體結構則解釋了這種80噸重的龐然大物如何可以獲得足夠的食物。

  當今地球上最大的陸地動物都是食草動物,靠吃進大量沒有營養的植物生存。這便要求食草動物不停地吃下去。

  例如,大象一天當中有18個小時在吃東西,每天消耗掉200公斤的植物。

  按照這些大型食草動物的標準,蜥腳類恐龍要吃飽一天至少要吞下1噸植物,它們怎麼能做到這一點?

  桑德發現,蜥腳類恐龍像長頸鹿一樣的脖子和小腦袋此時起了關鍵作用。

  脊椎輕可以讓蜥腳類恐龍的脖子長得更長,增加了捕食範圍。

  如此一來,蜥腳類恐龍站著不動,它們的脖子照樣可以上下左右覓食,從而節省了體力。

  此外,蜥腳類恐龍不是咀嚼食物,而是用掛鉤似的牙齒將枝葉從植物上咬下來,整個吞入腹中。

  正是由於獨特的繁殖和生長方式及身體機構,蜥腳類恐龍才能克服龐大身軀帶來的諸多限制。

  毫不誇張地說,蜥腳類恐龍就是恐龍時代的“精英”。





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