让古生物飞

吴再丰

作为远古灭绝的、至今还残留着化石的古生物有寒武纪的虾型动物奇虾和侏罗纪的大型海栖爬虫类沧龙等，如今我们已经不知这些奇怪的动物在昔日海洋里究竟是如何游泳的，抑或是怎样进化而来的，更不能用现在的生物物种来想象它们。最近，日本神奈川大学宇佑见教授却让它们在计算机上动了起来，正确地再现了当年古生物在海洋中的活动情形。他将这项分析和复原的研究称之为“用数字恢复失去的世界”。

亿万年前称霸海上的奇虾

大约在5.7亿年前的寒武纪时代，生物化石记录开始变得丰富起来，此前种类不太多的生物一下子变得多样化。另外，已经有作为化石容易保存下来的硬壳。

那么，初期生物的形状是按什么原则构成的呢？宇佑见教授带着这样的疑问开始了对古生物形状的研究和探索。

那是距今约5.3亿年前加拿大英属哥伦比亚省的伯吉斯页岩动物群。现在知道当时的加拿大生活着各种各样的动物，有长着五只眼睛的奥伯皮虫或有筒形躯体长着14枚荆棘的怪诞虫，以及长得像虾那样的奇虾等，如果从现在的常识来考虑，会发现许多怪异的物种。

其中受到宇佑见教授特别关注的是奇虾，这也是现在议论分类归属有不同看法的动物。奇虾的头上有一对茎状大眼睛，还有一对强大的抓肢和一个具有尖牙利齿的巨大圆形口器。大眼睛使奇虾具有宽广的视野，强大的抓肢可用于抓捕并牢牢控制住较大型的动物，具有尖牙利齿的嘴能够撕碎各类动物的躯体。奇虾的腹面两侧具有桨状的腿外肢和腿内肢结构，这使得它们既可以在海中迅速游动，又可以利用腿肢抓捕其他动物。

在伯吉斯页岩动物群中的奇虾，体长2米，是个头最大的，高居当时生态系的顶点，应该是最强大的捕食者，并且也是分布区域最广的动物之一，不仅在北美大陆，而且在中国、澳大利亚、东欧等地也发现有此类化石。

很难想象这样大繁荣的生物没有任何先兆就突然出现，变成当时生态系的霸主，但是确实也没有发现连接奇虾祖先的化石。从理论上来说，奇虾在它到来之前的进化途中应该存在所谓“缺失环”上的动物，只是化石没被发现而已。

进化途中的三种设想

既然没有留下化石，要从古生物学上讨论奇虾的祖先是困难的，因此宇佑见教授在分别假定它细长的躯体为薄的长方体、鳍为板子的情况下制作成物理模型。他认为，以这个模型为基础到诞生奇虾的模样大体上有三种途径。

第一种，假定是它原来细长鳍的幅度变宽，完成像化石所看到的模样的模型。考虑其祖先的样子是像蜈蚣那样典型节肢动物的形状，按这个模型推论，它最初的祖先与其说用鳍游泳不如说是用附肢脚在海底走。

第二种，假定它是由短鳍逐渐变长的模型。按这个模型推论，奇虾的祖先应该是短腿的生物。

第三种，假定是奇虾的躯体本身变长的模型。随着躯体的变长，鳍的数量也增加。这样躯体本身变长被视为三叶虫成长的模式。

在这三种模型中，宇佑见认为最适合奇虾的进化系谱是第一种模型。按第二种模型说，奇虾的祖先是短腿生物，不能充分发挥游泳能力。为此，作为进化前的问题，可以说连种的生存都有疑问。

第三种模型实际上被视为三叶虫等的进化模式，但是鳍的增加必须发现在基因上有大的变化才行。因为有三叶虫的实际例子，这个模型不能一概否定。但是鳍的幅度变宽远比鳍的数量增加容易发生。

已完成的游泳能力

假定奇虾像第一种模型那样进化，那么它的游泳能力是怎样变化的呢？

为了容易计算游泳能力，宇佑见假定奇虾的鳍都是7厘米宽。另一方面，按第一种模型设定，奇虾最初祖先的鳍的宽度是3厘米。他将奇虾进化分为五个阶段，每个阶段鳍的幅度变宽1厘米，并由此算出其游泳速度。其结果是奇虾化石宽度在3~6厘米时，伴随鳍变宽1厘米，奇虾的游泳速度是10厘米/秒，到宽6厘米时速度为40厘米/秒。按宇佑见的说法，游泳所需的能量也是等间隔地增加。

但是，当被发现的奇虾化石幅度到宽7厘米，这时算出其游泳能力显著提高，达到90厘米/秒，而其所需能量与宽6厘米时几乎一样。即奇虾用与宽6厘米的祖先同样的能量却能获得其祖先2倍以上的游泳速度。

根据物理模型来看，奇虾的游泳与现在的虾酷似。如果进化继续，鳍幅变宽，相邻的鳍之间的缝隙消失，而且所有的鳍联动，犹如水上起浪那样，能够有效地划水前进。此时，一串的鳍看上去像一个似的。

沧龙缓慢地游泳

从现在的常识来看，奇形怪状的海洋生物并不是仅限于伯吉斯页岩动物群，如果将时钟向前推移3亿年左右，着眼于大约2.4亿年前开始的恐龙时代的海洋，我们就能够看到称霸当时海洋的海栖爬虫类是以鱼龙类、蛇颈龙类和沧龙类三个群体为主。假如追溯它们祖先的话，均来自类似蜥蜴的陆地爬虫类，宇佑见对上述各个群体的游泳方法推测如下：

鱼龙类是包括鱼龙在内的群体。许多鱼龙的体型接近现在金枪鱼，头与躯体、尾巴构成短的流线型体型。从物理学上分析的结果知道，它游泳方式也是金枪鱼型的，即一边摆动身体后部一边前进。

这种金枪鱼型的海洋生物在游泳生物中能够游出最快速度。具有流线型身体的鱼龙适于分开水流前进，能以每秒2米的速度游动。

包括体长9米的瘤龙在内，沧龙类是在现代海洋动物中看不到的类型，它具有利齿的凶猛强壮的头部和像海蛇那样细长的身体。从分析结果知道，它的游泳方式比起鱼来更接近海蛇。

根据宇佑见的分析，沧龙可以使身体有大的弯曲，缓慢地游动。其速度是每秒1米左右。沧龙有前后共计4枚鳍，但是这个鳍与游泳无关，仅为转换方向使用。

鱼龙类、沧龙类的游泳方式通过物理计算已被算出，但是像薄片龙或双叶铃木龙等所知的蛇颈龙的游泳方式还有很多的迷。这让宇佑见感到棘手。原来无论是鱼龙或沧龙，均构成细长板那样的身体，能够用行进方向和左右的二维模型计算。但是，蛇颈龙的头和躯体可以做出不同行进方向左右摆动和上下活动的三维模型，因此计算变得复杂，需要大量的时间。目前仅知道它们可将鳍作上下交替活动，故而推断能够比其他动物能更有效地游泳。难怪宇佑见说：“在海栖爬虫类中，蛇颈龙构成最复杂的体型。分析它的游泳方式或许要花毕生的精力。”

综上所述，型体长与游泳速度或游泳所必要的能量有密切关系。像鱼龙那样的金枪鱼型，如果它的体型加长，则知道光是加长就能使游泳速度变快。与小型鱼龙相比，大型鱼龙的游速要快得多。

从计算机分析来看，越是大型的金枪鱼型鱼龙越是需要消耗大量的能量去游泳，所以说它们是用能量消耗来换取速度的。

而像沧龙那样的海蛇型则不然，即使体长变长，游泳速度也只能快到一定速度，其游泳所必要的能量伴随体长的变长而增加，但是没有金枪鱼型的那么多。一旦超过一定的大小，即使同样的尺寸，沧龙也不能像鱼龙那样快速游泳。但是，其能量的消耗也小。

从这点上分析，我们也能在某种程度上推断沧龙的生态，即沧龙不会到处游，而是看见游到近处的猎物才猛地咬住。这意味着沧龙不是像鱼龙那样去周游远洋的。

宇佑见对复原远古动物的计划还刚刚开始，但是他充满信心，希望通过物理学和古生物学两个不同领域的相互合作，对过去只能用化石看的生物进行数字复原或对连化石都寻不到的缺失环上的生物进行创造，并用虚拟现实技术让人们置身于虚拟的侏罗纪海洋生物世界，身临其境地感受海洋霸主们惊心动魄的生存竞争。