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是什么原因让远古时期的蜥脚类恐龙能长到如此的巨大
2018-11-21 23:27:00           作者: 宇宙小百科

长期以来,体型庞大的蜥脚类恐龙一直都在困扰着生物学家:它们为什么能长到如此之大?为什么在它们之前和之后没有其他任何陆地动物能长这么大?没人能够给出这些问题的令人信服的答案。不过,科学家现在有了一些全新的解释。

在位于阿根廷首都布宜诺斯艾利斯的自然科学博物馆里,收藏着一块巨大的恐龙椎骨。它有多大呢?可以这么来比方:一块人类椎骨你可以轻松地把它搁在手掌上;一块大象椎骨你可以用两只手把它托住;而这块恐龙椎骨大得超乎想象——你得用铲车来装它!这块高达1.6米的恐龙椎骨属于生活在距今1亿年前的一只阿根廷龙,古生物学家估计它生前长35米,重80吨,是目前已知最大的陆地生物。

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阿根廷龙是蜥脚类恐龙家族的成员之一,这个家族的成员中还包括有梁龙、腕龙和迷惑龙。蜥脚类恐龙的模样很容易识别:长脖子,长尾巴,桶状躯体,树干状四肢。当然并非所有的蜥脚类恐龙都身形高大,但其中的“大个子”的确是陆地上最罕见的庞然大物。

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没有任何其他陆地动物拥有像阿根廷龙那么庞大的身躯。当今世界最大的陆地动物是非洲象,雄性非洲象重约6吨;地球有史以来最大的陆地哺乳动物是生活在3000万年前的巨犀,这是一种高6米的无角犀牛,重量超过15吨;

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成年暴龙的体重只有7吨;最大的非蜥脚类恐龙是于1964年在山东省诸城县发现的巨型山东龙,重约16吨,是目前所知世界上最高大的鸭嘴龙。

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长期以来,蜥脚类恐龙前所未有的庞大体型困扰着生物学家:它们为什么能长到如此之大?为什么在它们之前和之后没有其他任何陆地动物能长到这么大?没人能够给出这些问题的令人信服的答案。不过,科学家现在有了一些全新的解释。

最近6年来,德国古生物学家马丁·桑德带领一个由多名科学家组成的国际研究小组,一直都在攻克恐龙“巨型化”难题。现在,他们对于恐龙“巨型化”问题已经有了_一整套理论。他们的研究表明,蜥脚类恐龙具有一些独特的生物学特性,而所有这些特性结合在一起,推动着它们的无以伦比的“巨型化”演化过程。

越长越大,越大越好:进化上的“柯普法则”

桑德的研究从19世纪的古生物学家爱德华·德林克·柯普的观察结果着手。柯普曾注意到,动物谱系在进化过程中有一种逐渐变大的趋向:刚开始时个体较小,随着时间推移,后代变得越来越大。生物学家把生物的这种越变越大的进化趋势称为“柯普法则”。

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依据“柯普法则”,物种变大有着进化上的优势——体型越大,被沦为猎物的风险越小,觅取食物和寻找配偶的竞争性越强。不过,大也有大的麻烦,比如大型动物更容易遭受灭绝厄运——体型大的动物需要更多的食物,繁殖速度却不如体型较小的动物,所以当环境不利和食物匮乏时,它们要比体型小的动物更难渡过难关。从化石记录看,许多超大型哺乳动物如巨犀等在地球上生存的时间极为短暂,而体型较小的哺乳动物在地球上生存的时间通常更长。

综上,一方面,自然选择促使动物越变越大;另一方面,这些动物却要为庞大的身体付出巨大的代价。为生存而变大,因变大而消亡,这是大自然的一种平衡法则,它使得大多数陆地动物的体重不会超过10吨。

巨大的体型还会带来其他一些问题,比如如何支撑庞大的躯体,如何为身体提供足够的养料和氧气,如何防止身体过热,等等。那么,庞大的蜥脚类恐龙是如何战胜这些挑战的呢?

与蜥脚类恐龙相似的恐龙最早出现于距今2.2亿年前,随即体型很快变大。距今2.1亿年前出现了体重达15吨的伊森龙,这是最早的真正的蜥脚类恐龙之一。从那时开始,蜥脚类恐龙越变越大的趋势—发不可收拾。随着时间的推移,分布在地球各处的不同谱系的巨大蜥脚类恐龙不断地向着“巨型化”演化。

又小又多的恐龙蛋:快速有效的繁衍方式

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恐龙是如何越变越大的呢?上世纪90年代,有科学家提出了一个值得注意的重要因素:蜥脚类恐龙的繁殖方式。就像其他恐龙一样,蜥脚类恐龙是通过生蛋来繁殖后代的(其他哺乳动物几乎都是胎生的)。

一般来说,哺乳动物的体型越大,其后代的数量就越少,繁殖间隔期也越长。科学家推测,卵生的巨大恐龙避免了这方面的困扰。一窝恐龙蛋可以孵出很多恐龙后代,恐龙的身体虽然越长越大,却丝毫不会影响到它们的繁殖率。大象每4年才生育一次,而巨大的恐龙在4年时间里可产下数百个恐龙蛋。

由此,蜥脚类恐龙避免了大型哺乳动物通常会遇到的生育风险,而且每当面临种群数量减少危机时,恐龙种群数量回升的潜力也比大型哺乳动物要大得多。对恐龙化石蛋的研究支持了科学家的推测。蜥脚类恐龙留下了大量的恐龙蛋和窝巢化石记录,有些蛋中甚至还有保存完好的胚胎组织。恐龙蛋的大小与鸵鸟蛋相仿或稍小一点,一窝恐龙蛋通常有八个之多。

让桑德大为惊讶的是,成年蜥脚类恐龙的身体如此庞大,相比之下,它们的蛋就小得不成比例了。他说,“生物个体能量的很大一部分通常都用于繁殖后代,而至少重达5吨的蜥脚类恐龙母亲,一次产卵总重量却只有24千克。看来它们一年中要产几次卵,否则其繁殖能力就太低了。”由于在恐龙窝巢化石及其附近没有找到亲代抚育的痕迹,这似乎表明成年蜥脚龙虽然拥有多产卵勤产卵的能力,但对后代缺乏亲代关怀。

然而,卵生以及缺乏亲代关怀,既不能表示所有的恐龙都是卵生的,也不能表示恐龙都不怎么照顾它们的后代。那么,关于恐龙繁衍生育的事实真相究竟是什么呢?桑德决定寻找其他证据来揭开这个谜底。

恐龙能够长这么大,显然其生长速度是很快的。研究人员将恐龙骨头化石切成薄片放在显微镜下进行观察,发现大多数恐龙的骨头上都有生长线,类似于树的年轮,这些生长线标志着恐龙时快时慢的间歇性生长过程。但桑德发现蜥脚类恐龙的骨头并非如此,它们的生长过程与哺乳动物和鸟类一样,呈连续生长模式。桑德总结说,蜥脚类恐龙的新陈代谢速率很快,所以它们能够很快长成庞然大物,而其他恐龙都没有蜥脚龙这么快的生长速度。

桑德的研究小组对重达30吨的亚洲蜥脚龙——马门溪龙进行了研究,结果发现,由于生长速度迅速,马门溪龙的体重增加十分惊人,处于生长高峰期的马门溪龙的体重每年增加达2吨,相比之下,非洲象的体重每年最多只增加200千克。

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独特的呼吸系统和消化系统:适应“巨型化”发展

生长迅速固然是好事,但对蜥脚类恐龙来说,当其体型达到极其庞大的程度时,它们将如何应对身体和生存的需要呢?蜥脚类恐龙的体型基本上都是长脖子、小脑袋、巨大的桶状身躯,还有粗短的四肢。桑德和其他研究人员认为,恐龙独特的身体结构是其能够承受巨大身躯的关键。

上世纪80年代,芬兰科学家杰尔基·霍坎南对恐龙如何支撑和移动庞大的身躯进行了专门研究。他通过分析大型动物的骨头和肌肉力量,认为即使是最大的蜥脚类恐龙,其体型也没大到超出极限。他认为,庞大的蜥脚类恐龙虽然如此笨重,但长得更大一些应该是不成问题的。

如果说还有什么问题的话,那就是它们如何获得足够的氧气。有科学家回答了这个问题,认为蜥脚类恐龙拥有与鸟类一样的肺部结构:鸟类呼吸系统的效率远高于哺乳动物,当它们吸气时,肺部和气囊中充满空气;当它们呼气时,气囊里的新鲜空气涌出取代肺部的空气,这意味着肺部始终拥有新鲜空气。鸟类每呼吸一次获得的氧气是哺乳动物的2,5倍。

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据此可知,蜥脚类恐龙的呼吸系统与鸟类十分相似,对支撑其庞大身躯多有助益。首先,解决了充分获取氧气的问题;其次,气囊位于脊椎附近,这在很大程度上有助于减轻体重(在已发现的阿根廷龙的巨大的脊椎骨上布满了气囊空腔,数量众多的气囊减轻了恐龙身体所承担的重量);最后,与鸟类相仿的呼吸系统还帮助恐龙解决了另外一个问题:不致使体温升得太高,因为较高的新陈代谢率,巨大的身躯,再加上较小的表面积与体积之比,往往会给恐龙身体降温带来很大麻烦。科学家推测,身形巨大的蜥脚类恐龙很可能像鸵鸟那样通过呼吸来给身体降温。

那么,重达80吨的动物又如何获取足够的食物呢?对此科学家的解释是,当今最大的陆地动物都是素食者,它们通过食用大量营养贫乏的植物维持生命。尽管没有足够的如水果、果实等高营养食物来满足大型动物的需要,但草、树叶和树枝等却遍地都是。

恐龙等巨型动物食量惊人,以弥补草叶树枝之营养不足。比如,大象每天用于进食的时间多达18个小时,每天要吃掉200千克植物。巨大的蜥脚类恐龙每天能吃掉1吨植物,如此恐怖的“工作量”,它们是如何做到的呢?桑德认为,恐龙的长脖子和小脑袋起到了关键性的作用。恐龙的较轻的脊椎骨使得它们的脖子能够长得很长很长,增大了它们上下左右的摄食空间,而且用脖子转来转去地进食,身体却可以原地不动,这有利于保存体能。

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更绝妙的是,蜥脚类恐龙并不需要对食物进行咀嚼加工。它们用牙齿拔下树叶和树枝,然后囫囵吞下,省去了用于咀嚼的大量时间,因而可以在一定的时间内吞下更多的食物;此外,由于不需要用于咀嚼的牙齿和肌肉,所以它们的头部重量更轻,脖子可以伸得更长。在恐龙巨大的身躯内,大量未经咀嚼的食物经历一个漫长的微生物发酵过程。

还有一个问题:地球上的显花植物是在恐龙时代晚期才出现的,因此恐龙的食物仅限于智利南美衫、银杏、马尾草等植物,而这些种类的植物只能提供非常低的营养价值。那么,蜥脚类恐龙是如何依靠营养有限的食物存活下来的呢?

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科学家决定一探究竟。2017年,有人将这类原始植物和绵羊的肠道微生物混合在一起,以模拟恐龙的消化系统。结果显示,这些植物中的大多数都比人们先前所认为的更有营养。可见,只要有足够的消化时间,这些古老植物的营养成分就会被充分分解。食物在蜥脚类恐龙消化道内长时间停留,这或许就是蜥脚类恐龙充分利用和吸取这些古老植物营养的秘诀。

蜥脚类恐龙以其独特的繁育方式、生长模式和生理构造,突破其他陆地动物都未能达到的体型极限,成为进化中“巨型化”的成功特例。庞大的蜥脚类恐龙在恐龙时代经历了长达1.45亿年的漫长时期,而其灭绝时间距今不过只有6500万年,因此最后一个问题是:地球何时能重现像蜥脚类恐龙这样的庞然大物?

桑德认为,没有理由排除这种可能性,因为只需再次出现另一种特别的生理结构体系,像蜥脚类恐龙这样的庞然大物就有可能重现地球。他说,“蜥脚类恐龙拥有成为地球最大生物的多个条件,但我想这不是生物体长成庞然大物的唯一模式。当然,只有经历一场令整个生态系统从零开始的物种大灭绝,再经过3000万到4000万年的时间,大自然才有机会重新设计并展示生物体型到底能演化到多大。”

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