王維佳

演化隨想

王維佳

生活在距今大約二億三千五百萬年至六千五百萬年前的恐龍、是一類奇妙的爬行動物,它們曾經(jīng)統(tǒng)治了地球陸地生態(tài)系統(tǒng)長達1億7千萬年之久。然而,從地質(zhì)歷史的角度來說,它們來去匆匆,給人們留下無數(shù)的迷團,讓人們苦苦探究、猜測,乃至遐想。本文將按照綜合觀點,對若干問題進行推測,希望能提供一點新的思路。

一、由體重統(tǒng)計出三類恐龍

恐龍在地球上生存了1.7億多年,它們大小不等,形態(tài)各異,應(yīng)該怎樣加以分類呢?當(dāng)然,最簡單的是分成植食與肉食兩類。但為了說明恐龍的生態(tài)特征,本文嘗試按體重對它們再做統(tǒng)計分類,其理論依據(jù)是體重對應(yīng)著慣性質(zhì)量,并制約著恐龍的運動方式,最終將決定它們的生態(tài)特征。

首先,根據(jù)有關(guān)恐龍的書中提供的數(shù)據(jù)列出恐龍的體重表,由此制作恐龍體重的頻數(shù)分布直方圖。和常規(guī)不同的是,這里的直方圖將橫坐標取為恐龍體重(W)的對數(shù)(Log),這樣做的目的是因為恐龍體重相差極大,達到6個數(shù)量級(10—105公斤),對數(shù)據(jù)取對數(shù)之后不會改變數(shù)據(jù)的性質(zhì)和關(guān)系,且所得到的數(shù)據(jù)易消除異方差,同時還節(jié)省了作圖的空間。具體選取的分組值為W=0,1/2,1,3/2,2,5/2,3,7/2,4,9/2和5，它們各對應(yīng)著體重W=1,3.16,10,31.6,100,316,1000,3160,10000,31600和100000公斤。由上述體重分組統(tǒng)計出的10組結(jié)果繪成圖1所示的直方圖。

圖1表明,恐龍的體重分布并不均勻,大致存在三個峰值區(qū):幾十公斤以下區(qū),1—10噸區(qū)和幾十噸以上區(qū),這意味著地球上曾經(jīng)存在過小型、中型與大型三類恐龍。從資料可知,幾十噸以上的大型恐龍都屬于植食恐龍,1—10噸的中型恐龍則植食和肉食都有,幾十公斤以下的小型恐龍為肉食(吃小動物)與雜食類。

二、大、中型恐龍的特點

體重幾十噸以上的大型植食恐龍都是陸生動物中的巨無霸,它們無憂無慮地吃(高樹冠植物)、睡(可能是站著)和繁育后代。由于身體巨大,它們實際上是沒有天敵的。這里猜想它們是站著睡是因為太重,躺下后就難再爬起來,而且還可能被自重壓傷軟肋和內(nèi)臟,例如今天的大象就是站著睡的。

總之,大型植食恐龍占據(jù)的是一個邊緣性的生態(tài)位,過著“與世無爭”的生活。這種邊緣性的生態(tài)位后來還曾被一些大型食草動物占領(lǐng)過,如巨犀和猛犸等。

1—10噸重的中型恐龍在恐龍總體中占了多數(shù),這固然是因為其中包括了植食和肉食兩類,還因為該檔次對應(yīng)著穩(wěn)定而多樣的生態(tài)環(huán)境。比如在各種地理和地貌條件下,低矮植物應(yīng)該是更豐富的,這樣就可以供養(yǎng)更多的中型植食恐龍并間接地養(yǎng)育了大量的中型肉食恐龍。與此同時,競爭和演化也加強了,其結(jié)果是在這一檔次中出現(xiàn)了顯著的類型多樣化。

另外,從身體結(jié)構(gòu)及活動量上分析,大、中型恐龍能耗大、代謝率高,它們只能在優(yōu)裕的條件下生存,一旦環(huán)境劇變,這些特化的動物必將走上絕路。

三、小型恐龍演化成鳥類

與大、中型恐龍體表的鱗片結(jié)構(gòu)不同,一些小型恐龍身上長有絲狀衍生物或羽毛。這些覆蓋物不僅保護著小型恐龍不受蚊蟲叮咬或病菌侵害,還能維持體溫。一旦小型恐龍演化出了帶羽毛的翅膀,就能更好地捕獵乃至飛行。不難設(shè)想,有了這種翅膀的小型恐龍借助于撲扇空氣而得以助跑、變速和改換方向,從而靈巧地捕獲小動物和昆蟲等。

中生代天空中飛舞著的大量昆蟲構(gòu)成了優(yōu)質(zhì)蛋白食源,肯定會對小型恐龍產(chǎn)生吸引力,并促使它們?nèi)フ紦?jù)這一生存空間。自然選擇的結(jié)果使小型恐龍逐漸演化出適合飛行的臟器與長有羽毛的空氣動力外形,最終小型恐龍變成了鳥類,其中的體輕者飛上了天。

四、蜻蜓為什么變小了?

從化石得知,古生代石炭紀的天空中曾飛翔過翼展有1米左右的大蜻蜓。而今天,蜻蜓的翼展只有約10厘米,于是人們不禁要問蜻蜓變小的原因。

在古生代,昆蟲的食物豐富,大氣含氧量高,有利于大蜻蜓的發(fā)展。但到了中生代初期,誕生不久的恐龍和翼龍也不會對大蜻蜓構(gòu)成威脅,而林中的小翼龍更不是大蜻蜓的對手。

霸王龍

到了中生代,情況發(fā)生了變化,小型恐龍通過捕食昆蟲等小動物逐漸取得飛行能力,并且演化成了鳥類。蜻蜓等昆蟲的營養(yǎng)豐富,可以保障動物飛行的高能耗需要,所以小型恐龍和鳥類自然要捕捉蜻蜓吃。大蜻蜓身體重,飛行笨拙,更容易被捉住。反之,靈活的小蜻蜓則容易逃脫,這些提高了飛行本領(lǐng)的小蜻蜓還具有捕捉蚊蟲的優(yōu)勢,此外還可以多產(chǎn)卵,有利于延續(xù)后代。總之,當(dāng)蜻蜓成為鳥類等的食物鏈上的一環(huán)后,只有向小體型和高飛行能力方向演化才得以生存下來。事實上,在中國的熱河生物群化石中已發(fā)現(xiàn)早白堊世的蜻蜓就已經(jīng)和現(xiàn)代蜻蜓一樣大了(見南京古生物博物館標本),而該時期正是小型恐龍和鳥類成長的年代,以上正是昆蟲與鳥類協(xié)同進化的一例。

五、鱷蜥龜蛇為什么沒有滅絕?

爬行綱現(xiàn)存四目(龜鱉目、鱷目、喙頭目和有鱗目),常見的有鱷魚、蜥蜴、龜和蛇等。這些爬行動物的起源要追溯到晚古生代,但它們在經(jīng)歷了數(shù)次生物大滅絕事件后,仍然存活了下來,必然有它的道理。

從生理上看,現(xiàn)生爬行動物有以下特點:

1．四肢短小(或退化),貼地爬行,重力勢能低。

2．行動遲緩,動能小,常常耐心等待獵物,進行伏擊。

3．冷血、代謝率低,所消耗的化學(xué)能少。

4．會營穴,能蟄居(夏眠、冬眠)。

總而言之,這些爬行動物的活動范圍小,能耗不大,對所獲取的食物能夠充分消化,可以說是過著節(jié)儉而低調(diào)的生活,但相對長壽。

爬行動物的這些特點是與其生理結(jié)構(gòu)有關(guān)的,首先決定于血液循環(huán)系統(tǒng)。研究得知,爬行動物心臟中的心室縱隔不完全,導(dǎo)致動脈血與靜脈血混合,造成供氧不足。爬行動物只好采取低氧或無氧代謝方式活動,例如為了捕食而短促激烈地出擊,然后再長時間休息恢復(fù)。不過,這種循環(huán)系統(tǒng)倒十分適合冬眠。

在洞穴中長時間地冬眠,可能是現(xiàn)存爬行動物沒有滅絕的重要原因。與此對照,大、中型恐龍都是高能耗動物,它們是不可能長時間維持低能耗的冬眠的,何況它們絕大多數(shù)不會挖洞,如果在洞外冬眠就會被當(dāng)時業(yè)已存在的恒溫動物吃掉,誰都知道蛇捕捉老鼠,但到了冬天,老鼠就要吃掉冬眠的蛇。

六、暴龍為食腐動物的證據(jù)

美國人動用波音飛機公司的大型CT設(shè)備對暴龍的頭骨進行了掃描成像,發(fā)現(xiàn)暴龍的嗅覺極為靈敏,由此推斷暴龍是一種食腐動物。其實暴龍身上還有其他作為食腐動物的證據(jù),但一直被人們忽略或誤讀了。

暴龍經(jīng)常被塑造為面目可憎的大塊頭,嘴中長滿尖牙利齒,據(jù)說可將獵物的脖頸一口咬斷,因而被視為白堊紀后期的頂級殺手。但是,大自然做了分工,在尖牙利齒的肉食動物當(dāng)中,除掠食者外,還安排了食腐者。掠食者在殺死獵物后,一般只享受有營養(yǎng)易消化的部分,剩下的則由食腐者處理。為了捕獵,掠食者都是動作敏捷,長有利爪,而暴龍身軀臃腫,它邁步所產(chǎn)生的扭動,必須由頭和尾的反向擺動來平衡。這種一步三搖的姿勢是走不快的。另外,它的前肢又太小,根本抓不住獵物,所以暴龍并不是殺手。暴龍在夜間是靠靈敏的嗅覺和視覺來發(fā)現(xiàn)動物尸體的,這不需要跑得快,而要走得穩(wěn)。選擇夜間活動是為了避開掠食動物的干擾,后者通常是日間活動的。眾所周知,食腐動物非洲鬣狗就喜歡在夜間出沒。

當(dāng)暴龍以尾巴支撐著后腿,穩(wěn)坐在動物尸體旁就餐時,就開始使用它的全套食腐工具了:帶刺的長舌用以舔刮尸骨上的爛肉;帶小鋸齒的“香蕉牙”先在尸骨上咬出刻槽,再用上寬下窄的頜部將尸骨沿刻槽咬斷,然后吸食骨髓。但是,有小齒的牙容易被食物殘渣卡住,一旦牙縫被塞,進食出現(xiàn)麻煩時,暴龍就用它的剔牙工具——小前肢幫助把殘渣摳出來。長久以來,暴龍長的一雙異乎尋常的小前肢到底有什么用,一直是困擾人們的話題。這雙小得像殘肢的小胳膊既不能用于打斗,又無助于維持平衡。現(xiàn)在,如果將它們解釋為剔牙工具,倒是順理成章。無用器官在動物身上注定要消失的,暴龍保留和演化出了這雙小手,可以幫助它們在食腐中吃得清清爽爽。

七、翼龍和小盜龍的飛翔

生命起源于海洋,海洋提供了食物,于是從海面獲取食物便成了一個有效的生態(tài)位。在古生代,翼龍最先占據(jù)了這一生態(tài)位。

翼龍有多種,翼展從幾米到十幾米不等。它們是將前肢的第四指延長作為支架,撐起皮膜構(gòu)成了一個簡單的翼。翼龍的胸骨不夠發(fā)達,不足以附著強大的胸肌來撲翼。因此,它們的主要飛行方式還是滑翔。

翼龍有腳蹼,能游泳,但雙腿過于柔弱,無法幫助起飛。有人曾設(shè)想,翼龍是像蝙蝠那樣從某一倒吊著的高處通過下墜進入飛行狀態(tài)的。然而,蝙蝠具有發(fā)達的腦,有用四個指頭構(gòu)成的可變形的復(fù)雜翼,這才能實現(xiàn)從飛行進入倒吊靜止狀態(tài),或下墜轉(zhuǎn)為飛行狀態(tài)。翼龍的飛行能力比蝙蝠差遠了。

翼龍在海面的起降其實也簡單。住在海邊的人都知道那里經(jīng)常刮風(fēng),上午從海面刮往陸地,傍晚從陸地刮向海洋,這是因為陸地的比熱小于海水的緣故。海面有風(fēng)就起浪,翼龍便可以像信天翁等海鳥那樣,先隨波起伏,在到達浪頂?shù)乃查g以適當(dāng)角度迎風(fēng)展翅,就能獲得足夠的升力騰空了。降落更簡單,用大迎角就行了。

一種前后肢都長著羽毛的小型恐龍——小盜龍化石在中國的發(fā)現(xiàn),引起國外空氣動力學(xué)家的關(guān)注。人們?yōu)檫@種長著四個翅膀的動物擬定了幾種飛行方案,并由試驗認定其中一種可行,那是一種類似老式雙翼飛機的模式。

如果觀測一下小盜龍的身長與前后肢長度的比例關(guān)系,那就可以提出一個更自然的飛行方案:當(dāng)小盜龍從高處跌下時,側(cè)向平伸四翼,使后翼略低且搭在前翼下面,這樣變構(gòu)成一個中間有縫的復(fù)合翼,幫助小盜龍滑翔了。我們知道,當(dāng)代飛機在起降時,正是利用向后移動的襟翼,構(gòu)成開縫的機翼借以提高升力來避免失速墜落的。因此,小盜龍若采用上述四翼方式滑翔,也會有增加升力的好處。不過,這種方式的缺點是翅膀既要管飛行還要管起落,不便控制,所以后來被淘汰了。如今,我們只見到前肢管飛翔,后肢管起落的鳥類。前后肢功能分開,由腦的不同區(qū)域控制,使鳥發(fā)展出卓越的飛行能力,終于稱霸天空。

小盜龍