科学网—我们不知道答案的125个科学问题(109)巨型恐龙之谜
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2024-11-12 09:00
| 个人分类: 科学教育 | 系统分类: 科普集锦
109. 为什么有些恐龙如此巨大？
Why were some dinosaurs so large?
题记 ：有些恐龙能在不到 20 年的时间长到让人难以想象的大小。但是，恐龙比如长颈蜥脚类动物 (long-necked sauropods) 是如何在不破坏周围生态环境的情况下，每天吃掉重达 200 公斤 食物来填满它 100 吨的身体呢？
图 1 地球上现存动物的体型对比
目前地球上体格最庞大的动物就是生活在海洋中的 蓝鲸 (图1)，蓝鲸体重可达 190 吨，体长可达 30 米，身高也能接近 5 米。直观地讲，蓝鲸的心脏足足有一辆小汽车那么重，大脑重达 6.8 公斤(是动物界仅次于 抹香鲸 的第二大大脑)，蓝鲸心脏的动脉血管粗到可以让一个人在其中游泳的程度。然而蓝鲸极大的体积和重量是由水的自然浮力支撑的，而陆地动物必须依靠它们的肌肉和骨骼结构来支撑庞大的躯体，其巨大的体重也只能以植物为食才能维持。在现存的陆地动物里， 非洲丛林象 是目前体格和重量都最大的 陆地动物 ，它成年后可长到近 4 米高，重量可达 11 吨左右。然而它在地球上已经灭绝的恐龙面前就显得非常渺小了(见图 2 所示)。
图2 陆地动物非洲象和长颈恐龙及化石对比
地球上曾经最大的陆地动物是在 6500 万年前灭绝的恐龙。从地层中的化石证据来看，恐龙比地球上任何曾经存在过的陆地动物都要庞大(研究显示史前海洋和陆地上的生物都很巨大，比如史前鲨鱼、史前鲸鱼和史前海洋爬行动物，如鱼龙和上龙等物种)。人类面对从地壳中挖出来的巨大恐龙化石，恢复了恐龙的骨架后，发现它竟然可以长到如此巨大的程度( 2012 年在阿根廷巴塔哥尼亚西北部发现的一具 9800 万年前的长颈泰坦 Gigas 巨龙骨架是人类发现的最大蜥脚类恐龙化石)。恐龙不寻常的巨大体型需要一个 合理的 解释，一个与恐龙存活相容的解释，恐龙到底是一种什么样的陆地动物？
对恐龙的第一个争论就是：恐龙是 冷血动物 还是 温血动物 ？如果说恐龙更像是一种爬行动物，比如今天的蜥蜴或鳄鱼似乎就是幸存恐龙的后代，那恐龙好像应该是 冷血动物 ；然而地球上的鸟类也是幸存恐龙的后代，那恐龙又应该是 温血动物 。然而对恐龙化石的研究表明恐龙的前肢明显不如后肢发达，所以恐龙的进化似乎是介于 爬行动物 和 鸟类 之间的一种物种，应该是从爬行动物进化而来的物种。耶鲁大学古生物研究人员对恐龙蛋化石进行了所谓的同位素古温学 研究 (原理是蛋壳化石中氧和碳原子的排列顺序由温度决定)，确定恐龙是一种 温血动物 。显然通过生理代谢使体温高于环境的能力是恐龙早期进化出来的一种重要特征，所以恐龙需要更大的饭量来保持体温，从而支撑了其拥有巨大的体型，毕竟体型巨大的恐龙更有竞争的优势，一个 50 公斤的动物在 50 吨重的动物面前根本就无法竞争。然而更大的体型意味着巨大的皮肤表面和散热，意味着更大的饭量，地球上有足够的食物去支撑体型越来越大这个进化的方向吗？
图3 恐龙时代的地球环境
恐龙生活在 中生代 ，从 2.5 亿年前的三叠纪开始到 6500 万年前的白垩纪末期恐龙灭绝，地球大气中的二氧化碳含量要比现在高很多，这意味着数百万年前的全球气候要比现在暖和得多。高水平的二氧化碳(植物光合作用进行碳固化和碳循环的主要物质)和高温(白天平均温度或 32-38 摄氏度，包括两极附近)的结合意味着此时地球上植被异常丰富，地表布满了各种树木、草丛、苔藓等等植物，而这些丰富的植物又为动物的生存释放了大量的氧气(在 300 万年内 大气氧含量 从 15% 左右跃升至 19% 并在恐龙时代达到顶峰，现在地球的氧气含量为 21% )。这样蜥脚类动物就有非常充足的食物 营养 和新陈代谢，于是就能逐渐进化出巨大的物种体型。而这种巨大体型的竞争优势让恐龙很快统治了地球整个生物圈，导致恐龙的捕食者越来越较少和繁殖速度加快，逐渐造就了它们巨大的体型(见图 4 的恐龙化石证据)。
图4 恐龙头骨化石
然而上面解释恐龙体型的理论似乎太过简单：食物充足的条件下物种会往体型较大的方向发展，所以就能长成巨大的体型(这就是所谓的 柯普规则 ，这是古生物学家爱德华 · 柯普提出的一个假设：进化谱系中的动物随着时间的推移会变得越来越大)。显然满足这个规则的条件并 不充分 ，仅仅是大量植物的存在和体型竞争优势并不一定意味着能够进化出巨型动物，毕竟在多细胞生命出现之前的 20 亿年里，地球上的微生物就已经存在，而且也没有任何证据表明地球上一定存在几吨重或体型巨大的细菌。生物进化往往是沿着多种优势途径进行的，比如 巨大的群体 比起 巨大的个体 往往更有优势，恐龙的巨大体型会造成其行动的笨拙和缓慢，同样会被合作共生的 小型暴龙 们吃掉而失去竞争优势(如图 5 所示)。所以柯普规则在长颈蜥脚类恐龙的种群发展上是成立的，但对于掠食的兽脚亚目恐龙，如霸王龙身上就不再成立。
图5 小霸王龙捕食大型食草恐龙的想象场景
然而根据地球上其他物种的化石研究发现，在古代地球上，不仅仅是恐龙的体型庞大，还有巨大的昆虫和植物，甚至 人类也有未确定的巨人化石 ，它们都显得比今天地球上的物种大得多，所有的生命都似乎有更大的体型。根据这个事实有人模拟了真实恐龙在地球上生活状态，用今天地球的重力计算发现，恐龙的骨骼、肌肉和韧带太弱，根本无法支撑起它如此庞大的体型。于是一种新的理论又诞生了：史前地球的 弱重力理论 。因为地球的弱重力可以使生命体变得更轻，所以所有陆地生物的骨骼、肌肉和韧带看起来虽然都很脆弱，但它们足够支撑起更大的体型规模，所以弱地球引力理论似乎能解释恐龙时代生物的巨大体型之谜(见图 6 所示)。
图6 史前陆地和海洋中的巨兽
然而新问题又出现了，为什么史前地球的重力场比现在弱？有人提出古代地球的质量和体积(直径)比现在要小得多的 地球膨胀理论 ：某些地质学家们认为古代地球的直径更小，后来经过数亿年的膨胀，才达到现在地球的大小， 然而地球膨胀的证据又在哪里？ 这简直就是个匪夷所思的理论 ( Hist. Geo Space. Sci., 5, 135–148, 2014 ) ，地球难道不应该是一团不断冷却而体积收缩的物体吗？ 1956 年，地球物理研究所的 Laszlo Egyed 教授根据对海平面变化的观察，提出地球体积在不断增长。他认为地球体积的增加是由于内部高密度的矿物到达表面后发生相变，密度减小体积膨胀。这个本来就违反直觉的理论经 1966 年德国物理学家帕斯夸尔 · 乔丹的补充解释更加地 匪夷所思 ：地球体积的增加可归因于时空连续体的 普遍膨胀 ( Scientific American’s blog ) 。然而这个理论竟然有众多的支持者和完善者，为什么很多人宁愿相信这个匪夷所思的理论而忽略已经有很多事实证据的 板块漂移理论 ，难道仅仅是因为只有违反直觉的理论才能带来所谓的“轰动效应”，当然还有很多人具有不愿意迷信教条或权威的独立的科学精神，挑战传统观念毕竟是科学飞跃的 发展 方式。然而地球膨胀理论并没有能够解释人类观察到的关于地球演化的很多事实，而大陆漂移论却可以。在一个更小的地球上，大陆是不断被喷涌而出的岩浆制造出来的而并非是板块漂移的假说不仅显得很酷，而且它似乎能够用来解释恐龙硕大的体型！然而令人惊奇的是它似乎又挑战了另一个 基本常识 ：如果地球总质量保持不变( 除去大气层密度变化的因素和陨石撞地球这类偶然事件之外，地球质量 大体上应该是不变的)，一个更小的地球半径其重力应该更大才对，既然地球膨胀理论被认为是 伪科学 ( Hist. Geo Space. Sci., 5, 135–148, 2014 ) ，那恐龙的体重依然还是一个没有被解释清楚的现象。
图7 世界上最大的飞行翼龙Azhdarchids
上面的一大堆看似 无用 的讨论 最后给出的结论依然是不能回答为什么恐龙这么巨大的问题！然而也许 很多 我们不能回答的问题都应该有一个 非常简单的答案 ，比如恐龙轻巧的骨骼及其特殊的结构是可以支撑它们成为陆地上的巨型生物的，甚至可以成为空中飞行的巨兽(如图 7 所示)。然而恐龙为什么这么大的问题依然存在，这些让人迷惑的问题始终都是人类走向未知世界的灯塔，正是对它们永恒的好奇才指引着人类科学前进的方向。
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