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《科学24小时》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

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恐龙王国的巨无霸——蜥脚类恐龙

2017-06-12 14:54:00

  恐龙是地球中生代生物圈的主宰,而最大的恐龙种类 — — 蜥脚类恐龙,也是迄今地球史上最大的陆地动物。目前所有已知身长超过20米的恐龙都属于蜥脚类恐龙,其中体形最大的梁龙,身长更是达到了54米。

  虽然陆地生命出现于地球已超过 4亿年,但除了大型蜥脚类恐龙外,还没有出现过其他身长超过20米的动物。为什么蜥脚类恐龙能长得这么大,它们一天得吃多少东西呢?它们又是怎么做到在短时间内,进食足够多的食物从而维持正常生长的呢?它们是如何支撑起这样庞大的身躯,身体内的各种器官又是如何协调完成各种代谢所需的呢?    

  大块头有大饭量

  动物体形越大,食物需求量自然也就越大。蜥脚类恐龙能长得这么高大,首先就得益于生存地水草丰茂,有足够的食物满足它们的需求。

  大型蜥脚类恐龙以植物为食,而植物是低热量食物,热量和营养成分较低,因此它们每天都需要进食大量植物才能维持日常所需的能量。非洲象是现代最大的陆生动物,每天要耗费近18个小时用于进食,几乎没有时间睡觉,它们一天能消耗接近200千克的植物。按照这些大型食草动物的体重,古生物学家推测蜥脚类恐龙每天至少要吞下1吨植物。如果按照非洲象的进食方式及效率推算,蜥脚类恐龙即使一天24小时吃个不停,也根本无法满足需求。那么它们是采取怎样的进食方式以满足其自身能量需求的呢?原来,大型蜥脚类恐龙拥有一套进食效率很高的独家“法宝”。

  天生卷叶机

  蜥脚类恐龙的牙齿只长在口腔前部,而且非常细小,牙冠高呈叶状,横断面呈椭圆形,牙齿钝且没有咀嚼能力。显然,这么钝的牙齿只能吃柔嫩多汁的植物。

  古生物学家曾经对蜥脚类恐龙的牙齿进行过研究,结果发现,其他类型恐龙牙齿的磨损面在牙齿顶端,但这类恐龙牙齿的磨损面则在牙齿一侧。古生物学家据此认为,蜥脚类恐龙是从植物上剥扯下植物后直接吞咽,压根没有咀嚼这一过程。这样直接吞咽的进食方式,无需花大量时间咀嚼,可以快速连续地进食,大大提高了单位时间内的进食量。

  此外,中生代地球生长了大量木贼科植物,它们营养丰富但含有对牙齿有害的硅酸盐,因此现生动物很少以它们为食。蜥脚类恐龙只吞不嚼的进食方式,可以大大减少硅酸盐对牙齿的损害,从而获得比其他咀嚼进食动物更多的食物选择。

  超长捕食杆

  蜥脚类恐龙拥有迄今为止任何已知动物中最长的脖颈,这种恐龙的脖子能长到15米,其长度是长颈鹿脖子的6倍。由于蜥脚类恐龙体重过大,行动起来并不轻松,因此它们的长脖子和小脑袋就能起到关键作用。

  蜥脚类恐龙的颈椎多达19块,并且充满气囊,由此减轻了脖子的重量,维持了身体平衡。环绕在这些颈骨周围的肌肉、肌腱和韧带也能使效率最大化,使脖子做出更加有效的运动。如此一来,即便这些庞然大物站着不动,它们的捕食范围也很广,可以在以脖子长为半径的区域内上下左右觅食,从而加快进食速度,并节省体力。此外,长长的脖子也可以帮助蜥脚类恐龙举目四顾,防备捕食的偷袭。

  巨大的石囊

  蜥脚类恐龙每天都会进食1吨未经咀嚼的食物,这么大的“草堆”该如何消化呢?

  恐龙专家曾在蜥脚类恐龙化石中发现了胃石,并由此推测它们可能会通过胃的蠕动,由胃石将食物研磨稀烂后再进行消化。这个道理就和如今的鸡、鸭等动物,都会常常吃点小石头帮助消化是一样的。

  虽然蜥脚类恐龙的砂囊能将食物轻易粉碎,但消化吸收还是需要一段时间的,因此它们就需要一个很大的胃来消化食物碎屑。因此,蜥脚类恐龙的胃也是异常巨大的。

  飞速生长

  古生物学家通过研究发现,蜥脚类恐龙的新陈代谢速度很快,这是其他类型的恐龙望尘莫及的。这种快速生长使它们体重的增长速度达到惊人的地步,也使蜥脚类恐龙能够相对快速地获得庞大体型。比如梁龙在成年之前,每天可以增重2~3千克,马门溪龙一年的体重最多可以增加2吨。

  此外,大多数恐龙的骨骼上都有类似树木年轮的生长线,蜥脚类恐龙也不例外。根据这个生长线得知,与其他类型的恐龙相比,同龄的蜥脚类恐龙体型可以大数倍。

  大块头的大负担

  也许你会担心,蜥脚类恐龙能否担负如此庞大的身躯。放心,它们在繁衍过程中,逐渐进化出了一套特殊的应对策略。

  首先,蜥脚类恐龙的脚掌巨大,当它们四足行走时,就能把庞大的身体重量分散到4个宽大的脚掌上,从而减小对地面的压强,提高通过松软地面的能力。

  其次,与现代鸟类相似,绝大多数的大型蜥脚类恐龙都有气囊结构。这些气囊环绕着脊椎,独特的身体构造大大分担了脊椎的重量,也增加了一次流入流出的氧气量。而且这一构造还能同时解决另一个问题 — — 利用气囊保持并稳定自身体温。

  再次,即更重要的是,虽然大型蜥脚类恐龙体型庞大,但它们的骨骼已演化成多孔、空心或薄壁结构,从而减轻了重量。蜥脚类恐龙死亡后,它们的骨骼很容易在外力作用下破碎,再经过漫长的地质作用后,便很难保存为完整的化石。这就是为什么迄今发现的95%以上的大型蜥脚类恐龙的化石标本都是严重破碎残缺的原因。

  因此,较完整的大型蜥脚类恐龙化石在今天就显得格外珍贵,它们是科学家探索这些远古时期巨型陆地动物如何起源演化、繁衍生息以及从兴旺走向衰亡的最直接的实物证据。

  独特的血液压力泵

  蜥脚类恐龙的体型庞大、脖子粗长,心脏是怎样将血液输送到全身各处的呢?

  如果根据现生动物的体重与心脏重量比进行估算,那么这类恐龙至少需要一个重达数十吨的巨大心脏,才能把血液泵送到头部。如此一来,心脏的重量几乎能达到其体重的10%,这显然不太可能。

  因此古生物学家认为,蜥脚类恐龙除了拥有一个主心脏外,其颈部还可能拥有多个小型辅助心脏。每个辅助心脏可以把血液泵送到下一个辅助心脏,如此接力传送,直至把血液输送到头部。

  大块头的烦恼

  蜥脚类恐龙的股骨比胫骨长,说明其绝不是依靠快速奔跑摆脱危险,而是依仗庞大身躯及强大力量对抗敌害的。庞大的体型虽然也有好处,比如不易成为被捕食的对象,在寻找食物时比竞争对手更有优势;但同时也让它们面临更多挑战 — — 一般而言,大型动物更易遭遇灭绝的威胁。因为与身材娇小的动物相比,大型动物食量惊人,繁殖速度缓慢,一旦遇到生存危机或食物短缺,便很难应付。与身躯较小的哺乳动物的化石记录相比,那些庞然大物的化石记录历史要短得多。所以,一方面,自然选择促使动物身体越长越大;另一方面,它们也更易受到大自然的惩罚。这种对立力量之间的均衡,使得大多数陆地动物的体重都不会超过10吨。

  古生物学家是这样总结蜥脚类恐龙的巨大体型的:大型蜥脚类恐龙体型增大的同时,其全身的组织器官、身体结构和生理特点,也相应地进行了一系列为适应身材大型化的配套演化。巨大的进食量配套了独特的进食方式;头骨因无需生长咀嚼肌肉可以向轻小化发展,巨大的胃部不仅能存储未经咀嚼且消化缓慢的食物,还能依靠一些卵石帮助消化……由此可见,生物演化对生物自身的生理和身体结构特性密切相关,真可谓牵一发而动全身。生物需要进行相互配套演化,才能达到对环境的最佳适应。地球环境在对生物提出挑战的同时,生物也在为了更好地生存而不断进化,构成了品种繁多、美妙绝伦的地球生物圈。

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