演化随想

王维佳

演化随想

王维佳

生活在距今大约二亿三千五百万年至六千五百万年前的恐龙、是一类奇妙的爬行动物,它们曾经统治了地球陆地生态系统长达1亿7千万年之久。然而,从地质历史的角度来说,它们来去匆匆,给人们留下无数的迷团,让人们苦苦探究、猜测,乃至遐想。本文将按照综合观点,对若干问题进行推测,希望能提供一点新的思路。

一、由体重统计出三类恐龙

恐龙在地球上生存了1.7亿多年,它们大小不等,形态各异,应该怎样加以分类呢?当然,最简单的是分成植食与肉食两类。但为了说明恐龙的生态特征,本文尝试按体重对它们再做统计分类,其理论依据是体重对应着惯性质量,并制约着恐龙的运动方式,最终将决定它们的生态特征。

首先,根据有关恐龙的书中提供的数据列出恐龙的体重表,由此制作恐龙体重的频数分布直方图。和常规不同的是,这里的直方图将横坐标取为恐龙体重(W)的对数(Log),这样做的目的是因为恐龙体重相差极大,达到6个数量级(10—105公斤),对数据取对数之后不会改变数据的性质和关系,且所得到的数据易消除异方差,同时还节省了作图的空间。具体选取的分组值为W=0,1/2,1,3/2,2,5/2,3,7/2,4,9/2和5，它们各对应着体重W=1,3.16,10,31.6,100,316,1000,3160,10000,31600和100000公斤。由上述体重分组统计出的10组结果绘成图1所示的直方图。

图1表明,恐龙的体重分布并不均匀,大致存在三个峰值区:几十公斤以下区,1—10吨区和几十吨以上区,这意味着地球上曾经存在过小型、中型与大型三类恐龙。从资料可知,几十吨以上的大型恐龙都属于植食恐龙,1—10吨的中型恐龙则植食和肉食都有,几十公斤以下的小型恐龙为肉食(吃小动物)与杂食类。

二、大、中型恐龙的特点

体重几十吨以上的大型植食恐龙都是陆生动物中的巨无霸,它们无忧无虑地吃(高树冠植物)、睡(可能是站着)和繁育后代。由于身体巨大,它们实际上是没有天敌的。这里猜想它们是站着睡是因为太重,躺下后就难再爬起来,而且还可能被自重压伤软肋和内脏,例如今天的大象就是站着睡的。

总之,大型植食恐龙占据的是一个边缘性的生态位,过着“与世无争”的生活。这种边缘性的生态位后来还曾被一些大型食草动物占领过,如巨犀和猛犸等。

1—10吨重的中型恐龙在恐龙总体中占了多数,这固然是因为其中包括了植食和肉食两类,还因为该档次对应着稳定而多样的生态环境。比如在各种地理和地貌条件下,低矮植物应该是更丰富的,这样就可以供养更多的中型植食恐龙并间接地养育了大量的中型肉食恐龙。与此同时,竞争和演化也加强了,其结果是在这一档次中出现了显著的类型多样化。

另外,从身体结构及活动量上分析,大、中型恐龙能耗大、代谢率高,它们只能在优裕的条件下生存,一旦环境剧变,这些特化的动物必将走上绝路。

三、小型恐龙演化成鸟类

与大、中型恐龙体表的鳞片结构不同,一些小型恐龙身上长有丝状衍生物或羽毛。这些覆盖物不仅保护着小型恐龙不受蚊虫叮咬或病菌侵害,还能维持体温。一旦小型恐龙演化出了带羽毛的翅膀,就能更好地捕猎乃至飞行。不难设想,有了这种翅膀的小型恐龙借助于扑扇空气而得以助跑、变速和改换方向,从而灵巧地捕获小动物和昆虫等。

中生代天空中飞舞着的大量昆虫构成了优质蛋白食源,肯定会对小型恐龙产生吸引力,并促使它们去占据这一生存空间。自然选择的结果使小型恐龙逐渐演化出适合飞行的脏器与长有羽毛的空气动力外形,最终小型恐龙变成了鸟类,其中的体轻者飞上了天。

四、蜻蜓为什么变小了?

从化石得知,古生代石炭纪的天空中曾飞翔过翼展有1米左右的大蜻蜓。而今天,蜻蜓的翼展只有约10厘米,于是人们不禁要问蜻蜓变小的原因。

在古生代,昆虫的食物丰富,大气含氧量高,有利于大蜻蜓的发展。但到了中生代初期,诞生不久的恐龙和翼龙也不会对大蜻蜓构成威胁,而林中的小翼龙更不是大蜻蜓的对手。

霸王龙

到了中生代,情况发生了变化,小型恐龙通过捕食昆虫等小动物逐渐取得飞行能力,并且演化成了鸟类。蜻蜓等昆虫的营养丰富,可以保障动物飞行的高能耗需要,所以小型恐龙和鸟类自然要捕捉蜻蜓吃。大蜻蜓身体重,飞行笨拙,更容易被捉住。反之,灵活的小蜻蜓则容易逃脱,这些提高了飞行本领的小蜻蜓还具有捕捉蚊虫的优势,此外还可以多产卵,有利于延续后代。总之,当蜻蜓成为鸟类等的食物链上的一环后,只有向小体型和高飞行能力方向演化才得以生存下来。事实上,在中国的热河生物群化石中已发现早白垩世的蜻蜓就已经和现代蜻蜓一样大了(见南京古生物博物馆标本),而该时期正是小型恐龙和鸟类成长的年代,以上正是昆虫与鸟类协同进化的一例。

五、鳄蜥龟蛇为什么没有灭绝?

爬行纲现存四目(龟鳖目、鳄目、喙头目和有鳞目),常见的有鳄鱼、蜥蜴、龟和蛇等。这些爬行动物的起源要追溯到晚古生代,但它们在经历了数次生物大灭绝事件后,仍然存活了下来,必然有它的道理。

从生理上看,现生爬行动物有以下特点:

1．四肢短小(或退化),贴地爬行,重力势能低。

2．行动迟缓,动能小,常常耐心等待猎物,进行伏击。

3．冷血、代谢率低,所消耗的化学能少。

4．会营穴,能蛰居(夏眠、冬眠)。

总而言之,这些爬行动物的活动范围小,能耗不大,对所获取的食物能够充分消化,可以说是过着节俭而低调的生活,但相对长寿。

爬行动物的这些特点是与其生理结构有关的,首先决定于血液循环系统。研究得知,爬行动物心脏中的心室纵隔不完全,导致动脉血与静脉血混合,造成供氧不足。爬行动物只好采取低氧或无氧代谢方式活动,例如为了捕食而短促激烈地出击,然后再长时间休息恢复。不过,这种循环系统倒十分适合冬眠。

在洞穴中长时间地冬眠,可能是现存爬行动物没有灭绝的重要原因。与此对照,大、中型恐龙都是高能耗动物,它们是不可能长时间维持低能耗的冬眠的,何况它们绝大多数不会挖洞,如果在洞外冬眠就会被当时业已存在的恒温动物吃掉,谁都知道蛇捕捉老鼠,但到了冬天,老鼠就要吃掉冬眠的蛇。

六、暴龙为食腐动物的证据

美国人动用波音飞机公司的大型CT设备对暴龙的头骨进行了扫描成像,发现暴龙的嗅觉极为灵敏,由此推断暴龙是一种食腐动物。其实暴龙身上还有其他作为食腐动物的证据,但一直被人们忽略或误读了。

暴龙经常被塑造为面目可憎的大块头,嘴中长满尖牙利齿,据说可将猎物的脖颈一口咬断,因而被视为白垩纪后期的顶级杀手。但是,大自然做了分工,在尖牙利齿的肉食动物当中,除掠食者外,还安排了食腐者。掠食者在杀死猎物后,一般只享受有营养易消化的部分,剩下的则由食腐者处理。为了捕猎,掠食者都是动作敏捷,长有利爪,而暴龙身躯臃肿,它迈步所产生的扭动,必须由头和尾的反向摆动来平衡。这种一步三摇的姿势是走不快的。另外,它的前肢又太小,根本抓不住猎物,所以暴龙并不是杀手。暴龙在夜间是靠灵敏的嗅觉和视觉来发现动物尸体的,这不需要跑得快,而要走得稳。选择夜间活动是为了避开掠食动物的干扰,后者通常是日间活动的。众所周知,食腐动物非洲鬣狗就喜欢在夜间出没。

当暴龙以尾巴支撑着后腿,稳坐在动物尸体旁就餐时,就开始使用它的全套食腐工具了:带刺的长舌用以舔刮尸骨上的烂肉;带小锯齿的“香蕉牙”先在尸骨上咬出刻槽,再用上宽下窄的颌部将尸骨沿刻槽咬断,然后吸食骨髓。但是,有小齿的牙容易被食物残渣卡住,一旦牙缝被塞,进食出现麻烦时,暴龙就用它的剔牙工具——小前肢帮助把残渣抠出来。长久以来,暴龙长的一双异乎寻常的小前肢到底有什么用,一直是困扰人们的话题。这双小得像残肢的小胳膊既不能用于打斗,又无助于维持平衡。现在,如果将它们解释为剔牙工具,倒是顺理成章。无用器官在动物身上注定要消失的,暴龙保留和演化出了这双小手,可以帮助它们在食腐中吃得清清爽爽。

七、翼龙和小盗龙的飞翔

生命起源于海洋,海洋提供了食物,于是从海面获取食物便成了一个有效的生态位。在古生代,翼龙最先占据了这一生态位。

翼龙有多种,翼展从几米到十几米不等。它们是将前肢的第四指延长作为支架,撑起皮膜构成了一个简单的翼。翼龙的胸骨不够发达,不足以附着强大的胸肌来扑翼。因此,它们的主要飞行方式还是滑翔。

翼龙有脚蹼,能游泳,但双腿过于柔弱,无法帮助起飞。有人曾设想,翼龙是像蝙蝠那样从某一倒吊着的高处通过下坠进入飞行状态的。然而,蝙蝠具有发达的脑,有用四个指头构成的可变形的复杂翼,这才能实现从飞行进入倒吊静止状态,或下坠转为飞行状态。翼龙的飞行能力比蝙蝠差远了。

翼龙在海面的起降其实也简单。住在海边的人都知道那里经常刮风,上午从海面刮往陆地,傍晚从陆地刮向海洋,这是因为陆地的比热小于海水的缘故。海面有风就起浪,翼龙便可以像信天翁等海鸟那样,先随波起伏,在到达浪顶的瞬间以适当角度迎风展翅,就能获得足够的升力腾空了。降落更简单,用大迎角就行了。

一种前后肢都长着羽毛的小型恐龙——小盗龙化石在中国的发现,引起国外空气动力学家的关注。人们为这种长着四个翅膀的动物拟定了几种飞行方案,并由试验认定其中一种可行,那是一种类似老式双翼飞机的模式。

如果观测一下小盗龙的身长与前后肢长度的比例关系,那就可以提出一个更自然的飞行方案:当小盗龙从高处跌下时,侧向平伸四翼,使后翼略低且搭在前翼下面,这样变构成一个中间有缝的复合翼,帮助小盗龙滑翔了。我们知道,当代飞机在起降时,正是利用向后移动的襟翼,构成开缝的机翼借以提高升力来避免失速坠落的。因此,小盗龙若采用上述四翼方式滑翔,也会有增加升力的好处。不过,这种方式的缺点是翅膀既要管飞行还要管起落,不便控制,所以后来被淘汰了。如今,我们只见到前肢管飞翔,后肢管起落的鸟类。前后肢功能分开,由脑的不同区域控制,使鸟发展出卓越的飞行能力,终于称霸天空。

小盗龙