說到恐龍,對(duì)于大多數(shù)人而言,首先映入腦海的就是"巨大"這個(gè)形容詞。
這樣說沒錯(cuò),恐龍中確實(shí)出現(xiàn)了體型最大的陸生植食性動(dòng)物——巴塔哥泰坦龍,最重的陸生肉食動(dòng)物——雷克斯暴龍。雖然說恐龍當(dāng)中也有小個(gè)子,如在樹林間攀爬營(yíng)生的胡氏耀龍,嘗試四翼飛翔的顧氏小盜龍。但總體而言,恐龍生存的年代的確可以說是巨人的時(shí)代。
恐龍為什么能長(zhǎng)這么大?
環(huán)境中氧氣含量高低并不能決定恐龍?bào)w型的大小
相信很多讀者,會(huì)第一時(shí)間想到一個(gè)"科學(xué)"的說法,那就是中生代(三疊紀(jì)、侏羅紀(jì)和白堊紀(jì))的氧氣含量比較高,因此一些恐龍才有了如此巨大的體型。這種說法在國(guó)內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)媒體上非常常見,以至于被很多人認(rèn)為是學(xué)術(shù)前沿的研究成果,或者是被公認(rèn)的"常識(shí)"。
那么,事情真的是這樣么?
此言差矣!
這種說法起源于何處已經(jīng)不可考證了,但這種說法的提出,確實(shí)可能參考其他動(dòng)物的相關(guān)研究成果。比如說甲殼類(例如螃蟹)的體型大小是和水中溶解氧含量相關(guān)的。與之原因類似,研究泥盆紀(jì)、石炭紀(jì)的古生物的學(xué)者也確實(shí)提出過,當(dāng)時(shí)陸地上的大型昆蟲的出現(xiàn)與氧氣含量的升高可能有關(guān)。
△ 石炭紀(jì)時(shí)期,昆蟲和其他節(jié)肢動(dòng)物體型都很大。由于節(jié)肢動(dòng)物特有的呼吸與代謝系統(tǒng),高氧氣含量導(dǎo)致了它們的大體型。
實(shí)際上,包括昆蟲在內(nèi)的節(jié)肢動(dòng)物在生理結(jié)構(gòu)上與包括恐龍、人類在內(nèi)的脊椎動(dòng)物完全不同。昆蟲的呼吸方式,是通過遍布身體的氣管與外界進(jìn)行氣體交換來呼吸的,發(fā)生在體表,相對(duì)被動(dòng)。而包括恐龍、人類在內(nèi)的脊椎動(dòng)物的呼吸器官——肺,深埋胸腔之內(nèi),是不暴露在空氣當(dāng)中的,主要是通過相對(duì)主動(dòng)的肺呼吸作用調(diào)節(jié)??諝庵休^高的氧氣含量,對(duì)于昆蟲為代表的這種呼吸方式來說,確實(shí)可以增添很高的效率。但是對(duì)脊椎動(dòng)物這種相對(duì)主動(dòng)的呼吸系統(tǒng)來說,影響并不會(huì)非常明顯。
舉個(gè)通俗易懂的例子,如果說脊椎動(dòng)物在氧氣含量高的地方體型大,氧氣含量低的地方體型小,那為什么西藏的哺乳動(dòng)物,如牦牛、藏獒一點(diǎn)也不比它們的近親小呢?呼吸方面,脊椎動(dòng)物是非常主動(dòng)和聰明的,氧氣含量低點(diǎn)沒關(guān)系,有很多辦法可以解決,比如增大鼻腔、增加血紅細(xì)胞濃度等。
回到恐龍和恐龍時(shí)代,這種高氧氣含量對(duì)恐龍大型化的解釋就很牽強(qiáng)了。
首先,對(duì)于中生代空氣中氧氣含量相對(duì)現(xiàn)今到底孰高孰低,學(xué)界仍然有很多爭(zhēng)議。不同科研機(jī)構(gòu),基于不同的研究方法模擬出中生代古氧氣環(huán)境,含量有的比現(xiàn)在高,有的比現(xiàn)在低。這樣的結(jié)果非常正常,中生代(三疊紀(jì)到白堊紀(jì))長(zhǎng)達(dá)近兩億年,空氣中含氧量也存在多次起伏和變化的可能性。也就是說,中生代可能有時(shí)候氧氣含量比現(xiàn)在高,有時(shí)候反而比現(xiàn)在低。一概而論是不可取的,不能說氧氣含量比現(xiàn)在高時(shí)有大的恐龍存在,就說恐龍大型化和高氧氣含量有關(guān),這樣就沒法解釋氧氣含量低時(shí)也存在大型恐龍的情況了。
既然如此,我們回歸去討論恐龍這種生物的本質(zhì)。有沒有確鑿的證據(jù),說明恐龍的體型是氧氣含量決定的呢?或者說,有沒有人發(fā)現(xiàn)這種關(guān)系,氧氣含量高了,恐龍?bào)w型就大?
高效的呼吸系統(tǒng)可能是促成恐龍大型化的原因之一
我們知道,恐龍尚未滅絕,現(xiàn)今的鳥類就是恐龍的后代,我們常吃的禽類——家雞就屬于一類獸腳類恐龍。如果氧氣含量高了,恐龍這類脊椎動(dòng)物體型就大,那么我們?yōu)槭裁床辉诟哐醐h(huán)境下養(yǎng)雞呢?
實(shí)際上,就脊椎動(dòng)物而言,呼吸系統(tǒng)對(duì)空氣中氧氣的利用模式是非常主動(dòng)的。其中,尤其以現(xiàn)生鳥類為甚。鳥類相對(duì)于其他脊椎動(dòng)物,有一個(gè)獨(dú)特的呼吸系統(tǒng),叫做"雙重呼吸系統(tǒng)"。
鳥類遍布身體的氣囊,吸收和吐納空氣,讓空氣在肺部來回通過兩次。這種呼吸系統(tǒng)相對(duì)于哺乳動(dòng)物(比如說人)來說更有效率。并且,這種呼吸方式還可以根據(jù)環(huán)境變化來相對(duì)主動(dòng)地調(diào)節(jié)呼吸效率,更好地利用環(huán)境中的氧氣。說一個(gè)很簡(jiǎn)單的例子,高原上的雄鷹可以在氧氣非常稀薄的高空飛行,在高海拔的山地筑巢生活,說明它們的呼吸效率是非常高的,這樣,低氧環(huán)境就影響不了它們的體型大小。
而這種"神一樣的呼吸系統(tǒng)",在恐龍里面同樣存在。古生物學(xué)研究發(fā)現(xiàn),這種呼吸系統(tǒng)正是鳥類祖先——恐龍們留給它們的"寶貴遺產(chǎn)"之一??茖W(xué)家不但在鳥類的近親獸腳類恐龍骨骼上發(fā)現(xiàn)了氣腔的痕跡(這些氣腔就是氣囊所在之處),也在親緣關(guān)系稍遠(yuǎn)的蜥腳類龍中發(fā)現(xiàn)了這種結(jié)構(gòu)。
而蜥腳類龍恰恰就是體型最為龐大的一類恐龍。簡(jiǎn)單來說,蜥腳類恐龍實(shí)際上有一個(gè)非常高效的呼吸系統(tǒng),對(duì)空氣中的氧氣利用率極高,類似鳥類。因此,空氣中平均氧氣含量的波動(dòng),應(yīng)該對(duì)這類恐龍日常生活影響不大,不會(huì)存在氧氣高了體型就變大,氧氣少了體型就變小的情況。
除了氧氣含量,還有很多其他的說法,比如植物中碳和氮的比值,環(huán)境溫度會(huì)影響恐龍的體型。實(shí)際上,和氧氣含量的答案都是一樣的,這些與恐龍生長(zhǎng)息息相關(guān)的環(huán)境因素,是恐龍生活必不可少的部分,但都是決定恐龍?bào)w型大小的原因。也就是說:
1.不同恐龍類群的巨型化是不能用同一個(gè)或者一組環(huán)境因素解釋的。
2.有一些類群(如蜥腳類)的恐龍,它們甚至突破了體型大型化的"天花板",那是因?yàn)樗鼈兩锉旧淼奶厥庠颉?/p>
因此,真正的大型化的原因,應(yīng)該從恐龍自身上面去找。
恐龍是如何突破體重極限的長(zhǎng)成龐然大物的?
截止目前對(duì)恐龍?bào)w型巨型化的研究,有些恐龍能長(zhǎng)這么大的最重要原因就是它們"很能長(zhǎng)"。這聽起來是一句沒有意義的話,實(shí)際上卻是對(duì)問題本身的回答。并不是所有生物一個(gè)勁喂給它吃的,它就可以一直長(zhǎng)。
那么,什么是大型化的"天花板"?
實(shí)際上,所有動(dòng)物都是不會(huì)無限制的生長(zhǎng)的。對(duì)于每一類動(dòng)物而言,都有一種或多種條件去限制其體型的增長(zhǎng)。拿我們熟悉的大象來舉例:大象屬于長(zhǎng)鼻類,長(zhǎng)鼻類中的成員其實(shí)在很早就演化出了與現(xiàn)在非洲象相當(dāng)?shù)捏w型,成為陸地上最大的動(dòng)物。然而自那之后,雖然各種類群長(zhǎng)鼻類興衰往復(fù),但它們的體型并沒有更進(jìn)一步。也就是說,有一個(gè)隱藏的體型"天花板"在限制它們的增大。
拿咀嚼舉例,咀嚼,簡(jiǎn)單來說就是吃東西。咀嚼是需要時(shí)間,消耗能量的。每一個(gè)動(dòng)物的一天,都是一樣長(zhǎng)的(24小時(shí))。假設(shè)動(dòng)物a的進(jìn)食模式是每天最多進(jìn)食八個(gè)小時(shí),一天獲得體重增加1kg,一年體重增加365kg,再乘上壽命,得到的數(shù)值就是這種動(dòng)物的體重上限了。因此,如果咀嚼效率不提升,這類動(dòng)物就很難攝入更多的能量和物質(zhì),就不能變得更大。
另一個(gè)"天花板"因素是哺乳動(dòng)物的胎生系統(tǒng)。這種系統(tǒng)運(yùn)作非常耗費(fèi)母親的能量,一般而言,動(dòng)物越大,它的胎兒也就越大,胎兒在母體內(nèi)孕育的時(shí)間就越久,因此整個(gè)繁殖過程就會(huì)變長(zhǎng),這會(huì)影響種群數(shù)量恢復(fù)。這樣的悲劇在現(xiàn)今非洲的大型哺乳動(dòng)物中非常常見,比如非洲象和白犀牛。一旦種群數(shù)量下降,繁殖周期過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致它們快速走向滅絕。
再回到恐龍,我們會(huì)發(fā)現(xiàn),恐龍的巨型化不是沒有道理的,而是它們一個(gè)個(gè)打破了體型大型化的 "天花板"。
鴨嘴龍類是一類大型鳥臀類植食性恐龍,它們也是僅次于蜥腳類恐龍的第二大體型的植食性恐龍類群。它們其實(shí)沒有突破咀嚼的"天花板",但是它們演化出了一種遠(yuǎn)比現(xiàn)在哺乳動(dòng)物牙齒高效的咀嚼方式或者說結(jié)構(gòu)(齒板tooth battery),所以是鴨嘴龍類把這個(gè)"天花板"抬高了,所以體重可以達(dá)到幾十噸,相比新生代陸地上最大型的動(dòng)物大象和犀牛,還是大了很多的。
而最大的恐龍,蜥腳類恐龍,可以說是突破了咀嚼的極限。因?yàn)樗鼈兂詵|西根本就不咀嚼。
德國(guó)波恩大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)提出過一個(gè)蜥腳類恐龍的生理模型。形象來說,蜥腳類恐龍就是一個(gè)活著的樹葉吸塵器加一個(gè)行走的沼氣池。蜥腳類恐龍沒有發(fā)達(dá)的咀嚼系統(tǒng),甚至沒有胃磨(胃石加蠕動(dòng))系統(tǒng),它甚至可以把食物從消化道末端一直堆到脖子。吃進(jìn)去的植物在高溫和消化酶,也有可能是微生物的作用下分解產(chǎn)生能量,維持這個(gè)系統(tǒng)運(yùn)作。蜥腳類恐龍本身很懶,身體重的部分不用怎么動(dòng),只要把身體挪到一片林子里面,剩下的動(dòng)脖子就行了,吃完之后換下一片。
蜥腳類恐龍?jiān)诘湍芎牡那闆r下,高速的獲得能量,自己消耗的還少。同時(shí),它們也有類似鳥類的雙重呼吸系統(tǒng),可以有效的維持大量氧氣供應(yīng),使得食物得到很好地消化吸收,維持很高的代謝。
△ 德國(guó)科學(xué)家提出的蜥腳類恐龍大型化的生理模型。翻譯自Sander et al., 2013
總結(jié)而言,蜥腳類恐龍是脊椎動(dòng)物演化史上的一個(gè)異類,它們本身?yè)碛械囊幌盗杏欣诖笮突慕Y(jié)構(gòu)和生理特征才造就了這個(gè)類群的大體型。
最后總結(jié)一下。目前對(duì)恐龍?bào)w型演化的研究,一般認(rèn)為不同類群的恐龍?bào)w型變化原因是不同的。不像無脊椎動(dòng)物,脊椎動(dòng)物的體型演化方式是非常主動(dòng)的,不同環(huán)境條件下都有適應(yīng)這個(gè)環(huán)境并演化到大體型的動(dòng)物類群。
很多人認(rèn)為,自從人類出現(xiàn)后,動(dòng)物的體型好像都變得比較小了,那動(dòng)物界還存在像恐龍一樣體型龐大的動(dòng)物么?其實(shí)是存在的,人類已知體型最重的脊椎動(dòng)物,也就是藍(lán)鯨,就與人類一起生活在這個(gè)時(shí)代。
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