演化隨想

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(dòng)物,它們曾經(jīng)統(tǒng)治了地球陸地生態(tài)系統(tǒng)長達(dá)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(tuán),讓人們苦苦探究、猜測,乃至遐想。本文將按照綜合觀點(diǎn),對若干問題進(jìn)行推測,希望能提供一點(diǎn)新的思路。

一、由體重統(tǒng)計(jì)出三類恐龍

恐龍?jiān)诘厍蛏仙媪?.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(jì)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(yùn)動(dòng)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?bào)w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(biāo)取為恐龍?bào)w重(W)的對數(shù)(Log),這樣做的目的是因?yàn)榭铸報(bào)w重相差極大,達(dá)到6個(gè)數(shù)量級(10—105公斤),對數(shù)據(jù)取對數(shù)之后不會(huì)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(shí)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(jì)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(gè)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(dòng)物)與雜食類。

二、大、中型恐龍的特點(diǎn)

體重幾十噸以上的大型植食恐龍都是陸生動(dòng)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(shí)際上是沒有天敵的。這里猜想它們是站著睡是因?yàn)樘?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(gè)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(dòng)物占領(lǐng)過,如巨犀和猛犸等。

1—10噸重的中型恐龍?jiān)诳铸埧傮w中占了多數(shù),這固然是因?yàn)槠渲邪酥彩澈腿馐硟深?還因?yàn)樵摍n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(shí),競爭和演化也加強(qiáng)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(dòng)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(dòng)物必將走上絕路。

三、小型恐龍演化成鳥類

與大、中型恐龍?bào)w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(hù)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(dòng)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(huì)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(dòng)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(jì)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(huì)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(biāo)本),而該時(shí)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(jìn)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(dòng)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(dòng)物有以下特點(diǎn):

1．四肢短小(或退化),貼地爬行,重力勢能低。

2．行動(dòng)遲緩,動(dòng)能小,常常耐心等待獵物,進(jìn)行伏擊。

3．冷血、代謝率低,所消耗的化學(xué)能少。

4．會(huì)營穴,能蟄居(夏眠、冬眠)。

總而言之,這些爬行動(dòng)物的活動(dòng)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(dòng)物的這些特點(diǎn)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(dòng)物心臟中的心室縱隔不完全,導(dǎo)致動(dòng)脈血與靜脈血混合,造成供氧不足。爬行動(dòng)物只好采取低氧或無氧代謝方式活動(dòng),例如為了捕食而短促激烈地出擊,然后再長時(shí)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(shí)間地冬眠,可能是現(xiàn)存爬行動(dòng)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(dòng)物,它們是不可能長時(shí)間維持低能耗的冬眠的,何況它們絕大多數(shù)不會(huì)挖洞,如果在洞外冬眠就會(huì)被當(dāng)時(shí)業(yè)已存在的恒溫動(dòng)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(dòng)物的證據(jù)

美國人動(dòng)用波音飛機(jī)公司的大型CT設(shè)備對暴龍的頭骨進(jìn)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(dòng)物。其實(shí)暴龍身上還有其他作為食腐動(dòng)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(jì)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(dòng)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(dòng)作敏捷,長有利爪,而暴龍身軀臃腫,它邁步所產(chǎn)生的扭動(dòng),必須由頭和尾的反向擺動(dòng)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?jiān)谝归g是靠靈敏的嗅覺和視覺來發(fā)現(xiàn)動(dòng)物尸體的,這不需要跑得快,而要走得穩(wěn)。選擇夜間活動(dòng)是為了避開掠食動(dòng)物的干擾,后者通常是日間活動(dòng)的。眾所周知,食腐動(dòng)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(dòng)物尸體旁就餐時(shí),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?jiān)ㄗ?一旦牙縫被塞,進(jìn)食出現(xiàn)麻煩時(shí),暴龍就用它的剔牙工具——小前肢幫助把殘?jiān)鼡赋鰜?。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(dòng)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(gè)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(gè)簡單的翼。翼龍的胸骨不夠發(fā)達(dá),不足以附著強(qiáng)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(jìn)入飛行狀態(tài)的。然而,蝙蝠具有發(fā)達(dá)的腦,有用四個(gè)指頭構(gòu)成的可變形的復(fù)雜翼,這才能實(shí)現(xiàn)從飛行進(jìn)入倒吊靜止?fàn)顟B(tài),或下墜轉(zhuǎn)為飛行狀態(tài)。翼龍的飛行能力比蝙蝠差遠(yuǎn)了。

翼龍?jiān)诤Ｃ娴钠鸾灯鋵?shí)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?yàn)殛懙氐谋葻嵝∮诤Ｋ木壒?。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(dá)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(dòng)力學(xué)家的關(guān)注。人們?yōu)檫@種長著四個(gè)翅膀的動(dòng)物擬定了幾種飛行方案,并由試驗(yàn)認(rèn)定其中一種可行,那是一種類似老式雙翼飛機(jī)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(gè)更自然的飛行方案:當(dāng)小盜龍從高處跌下時(shí),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(gè)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(jī)在起降時(shí),正是利用向后移動(dòng)的襟翼,構(gòu)成開縫的機(jī)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(huì)有增加升力的好處。不過,這種方式的缺點(diǎn)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