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導致史前昆蟲的大型身軀變到如今的小型體積的原因有哪些？

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導致史前昆蟲的大型身軀變到如今的小型體積的原因有哪些？

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【導致史前昆蟲的大型身軀變到如今的小型體積的原因有哪些？】比較主流的說法是因為遠古時期大氣的含氧量比較高，導致各種水體的含氧量也很高 。很多昆蟲的水生幼蟲就可以長得非常大 。而相關的觀點也有兩種，一是高含氧量的水體可以支持更大體型的昆蟲 。另一個是這些蟲子必須長得特別大，不然會被氧氣毒死 。一般水生昆蟲通過體表的腮呼吸，沒辦法控制進入體內的氧氣量 。體型比較大的話，單位體積內吸收的氧氣就會減少 。當然后來有了鳥以后，大型昆蟲就沒有那么流行了 。大個的要么被鳥吃了，要么和鳥競爭被餓死了 。巨大昆蟲體型的峰值出現在晚石炭-二疊紀，翅膀展開可以達到2-3米，隨后就慢慢變小 。原因具體是什么目前沒有定論 。主流觀點有兩種：(1) 石炭-二疊三疊氧氣含量高 。氧氣分壓下降后昆蟲沒有辦法獲得足夠氧氣來支撐龐大身軀 。(2) 鳥類的興旺逼迫昆蟲小型化以躲避捕食 。幾年前 Matthew E. Clapham 和 Jered A. Karr 系統的研究了昆蟲體型和不同因素的相關性 。他們找來從石炭紀至今10500個昆蟲翼展長度的數據，用分年齡段取平均值的方式和古氧氣含量還有捕食者（主要是鳥類）的物種豐富度比對，發現了以下幾點：昆蟲歷史的早期（3.2-1.5億年前），最大昆蟲的大小和氧氣含量高度正相關；說明當時氧氣含量決定昆蟲體積的上限 。在1.4億年前左右昆蟲體型和氧氣含量發生了脫耦合：比如說，早白堊紀氧氣含量上升，昆蟲體型卻一路下降 。脫耦合發生時早期鳥類的物種數陡增，因此支持鳥類的繁衍導致昆蟲數量下降這個觀點 。翼龍的出現比昆蟲體型和氧氣脫耦早了五千多萬年，很難說明翼龍跟昆蟲體型的關系 。白堊紀時，昆蟲體積已經開始逐步小型化了，雖然當時的氧氣含量高于今天，大約為現今的150%，但并不是歷史峰值 。大型昆蟲主要存在于3億年前的晚石炭紀至二疊紀 。根據主流說法：在古生代昆蟲體積大，主要由于當時氧氣含量高 。根據分析，古代地球在泥盆紀氧氣含量一度達到35%，而現在為21% 。
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，蜥腳類恐龍也屬于重量級 。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征，在這些特征的共同作用下，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 ?！泵媾R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里斯丁·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 ?！彼裕环矫?，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里來？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，后代就越少 。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，可幼仔的數量并沒有減少 ?！鳖愃颇贻喌纳L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，相比于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于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，有時里面還有保存完好的胚胎 ?？铸埖耙话阌续r鳥蛋大小，一窩八個蛋 。蜥腳類恐龍巢穴并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后代的能力 。但是，下蛋和缺乏親代撫育并不能完全解釋下蛋和不照顧幼仔的原因 。于是，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) 。根據桑德最后得出的結論，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么高的增長速度 ?！鄙５碌难芯啃〗M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 。與鳥類一樣復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杰伊·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 ?！彼裕M管大型蜥腳類恐龍笨重不靈活，但這一缺陷并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復雜 ?！笨铸垥r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，它們怎么能做到這一點？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，增加了捕食范圍 。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，而是用掛鉤似的牙齒將枝葉從植物上咬下來，整個吞入腹中 。正是由于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 。毫不夸張地說，蜥腳類恐龍就是恐龍時代的“精英” 。(孝文)

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