這些地球上的昔日霸主恐龍為何身形如此巨大
北京時間3月24日消息，據英國《新科學家》雜誌報導，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)公布他的研究結果之前，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象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。為了解恐龍增長速度，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，非洲象一年體重不過增加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，而是用掛鈎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」。
更多閱讀（英文）
《新科學家》原文報導