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一寸长一寸强,来看一下远古奇特的长脖子怪

撰文 | Redlichia

脖子怪用长脖子打架

提到长脖子,不禁让我们联想到世界上最高的动物――长颈鹿。它拥有着超过2米的脖子,总身高可达8米,刚出生的幼崽身高也有1.5米。现存动物中,与长颈鹿亲缘关系最近的是霍加恢痔逍嗡坡淼恼湎《铩4踊艏庋纳硇危莼匠ぞ甭沟母鐾罚弊又鸾ケ涑さ慕繁恍唇烁咧猩锉匦蘅危米魃锝媒贤说姆独3ぞ甭沟淖嫦任四鼙缺鸬纳锍缘礁叩氖饕叮诰2000万年的演化之后长出了高耸的脖子和修长的大腿。获得更多食物资源却是要付出代价的,现代的长颈鹿只能进食树叶,喝水都出现了很滑稽的问题,甚至它们打架都要靠甩脖子决一高低。而在地质历史上,除了长颈鹿,还有很多种古生物曾进化出奇长的颈椎,无论是在海洋还是陆地上,这也说明长颈椎似乎有独特的用处。下面我们不妨来讨论一下,这些长脖子的古生物究竟有什么奥秘,如何把颈椎的优势发挥到极致的。

人教版《生物 必修二》中长颈鹿进化过程

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海洋中的长脖子怪

看到标题,可能很多朋友们都已经猜到了主角,那就是拥有众多粉丝、曾被冠以“尼斯湖水怪”的海生爬行动物――蛇颈龙。蛇颈龙的出现,曾经让很多古生物学家们焦头烂额,毕竟一个身体极度不协调的生物似乎不像是地球上应该存在的生物,甚至有一名知名古生物学家还误把蛇颈龙的颈椎骨还原到了尾巴上。但就目前而言,虽然蛇颈龙已经成了家喻户晓的明星古生物,甚至和同时代的恐龙都能平起平坐,但人类对这类奇怪生物的很多细节都无从可知,尤其是它比身体还长的脖子,人们并不能说出其准确用处,只能通过一些蛛丝马迹给出一些合理的判断。但是蛇颈龙这种奇葩的设计却能让它们在海洋中存活1.5亿年,甚至还在侏罗纪称霸海洋。接下来就让我们探究一下,这位长脖子选手的独特技能。

传说中的尼斯湖水怪(卷福:喵喵喵?)

蛇颈龙复原图和化石

蛇颈龙(Plesiosauria)

蛇颈龙(Plesiosauria)是跨越整个中生代常见的海生爬行动物,首次出现晚三叠世,繁盛于侏罗纪,最后和恐龙一起在白垩纪末期大灭绝消失。蛇颈龙目分为蛇颈龙亚目和上龙亚目,我们常见的头小呈倒三角状、颈长的属于蛇颈龙亚目;虽然上龙亚目为同源演化,形态为长头短颈,曾一度是蛇颈龙亚目的竞争对手。蛇颈龙以软体动物和水底的鱼为食。不同种类的蛇颈龙形态差异较大,体长2米至15米不等,颈椎长度也是随着时间演化而不断增长的,最为出名的为晚白垩世的薄板龙,体长14米其中有8米是颈椎,颈椎数量可以达到惊人的72节,是目前地球上颈椎骨数量最多的生物。

薄片龙是体型最大脖子最长的蛇颈龙丨来源:wildlife

最初人们认为蛇颈龙的脖子会如蛇一样,可以自由摆动,甚至作为攻击手段。但化石证据却发现,蛇颈龙的颈椎骨节之间链接十分牢固,不能昂起头,甚至只能小幅度摆动,除非它们想自己捏断脖子。这也从根本上否决了“尼斯湖水怪”是蛇颈龙的可能,那些复原图中把蛇颈龙的头弯成弧形的也绝对不想让蛇颈龙好好活着。但是像这种看似毫无实用价值的身体结构却成为三叠纪海洋中最成功的进化类型,并一直延续了1.5亿年,表明事情并没有那么简单。

蛇颈龙脊椎骨连接紧密(Noè et al., 2017)

一些蛇颈龙化石的胃中发现了残留的菊石、箭石化石,再结合侏罗纪重新开始活动的硬骨鱼,古生物学家确定了它的捕食习惯。在蛇颈龙胃中同样发现了大量磨圆的鹅卵石,这被认为是一种帮助消化的胃石,帮助把吞到胃中的甲壳类动物磨碎。所以,为了吞食石子和底栖动物,蛇颈龙需要有潜到水底、用嘴犁地的功能,但是蛇颈龙并没有进化出腮,而是要像鲸鱼一样定时去水面换气,这时候长脖子的功能就逐渐明晰了。另外,修长的脖子还有一个重要的功能,庞大的身体还未到猎物身边时,7米长的脖子已经把猎物拿下了,就像你拿着50米的大刀让猎物先跑49米一样。总结而言,蛇颈龙之所以能允许脖子越进化越长的原因就是为了方便捕猎,一是能快速拿下视力不好的软体动物和鱼,二是能把海底的底栖动物和石子一起来一场海底捞。

在蛇颈龙胃中发现的胃石和食物残留丨来源:wikipedia

蛇颈龙的长脖子可以出其不意攻击猎物丨来源:Pinterest

蛇颈龙颈椎只适合向下弯曲 (Noè et al., 2017)

不过,有些人会存有疑虑,蛇颈龙会不会像企鹅一样,把长长的颈椎埋到肥厚的脂肪下,毕竟只看企鹅的骨架完全无法还原原来的样子。但其实7米的脖子包上这么多脂肪只会让它们重心不稳。最新的动力学模拟,也还原出蛇颈龙具有和企鹅一样的游泳姿态。

模拟还原出蛇颈龙具有与企鹅相同的泳姿丨来源:sciencenews,Liu et al., 2015

企鹅也是长脖子!

但蛇颈龙并不是最早拥有长脖子专利的爬行动物,在比蛇颈龙出现时间更早的中三叠世就出现了如长颈龙、恐头龙等,同样是拥有长脖子的爬行动物,它们体长6米颈椎就占了3米长。因为没有演化出鳍状肢,并保留有趾,所以被推断为是半陆上,半水生的爬行动物。这可能是种趋同演化的结果,所以很多古生物学家认为它们也是为了潜到水底捕食才出现的长脖子。有研究发现它们长有鳞片和粗壮的尾巴,推测它们可能还是以陆生为主,长脖子是为了捕食树顶的小型动物。长颈龙和蛇颈龙并没有什么关系,因为它们脖子变长的原理是通过把颈椎骨延长,保持数量始终是13节,而不是像蛇颈龙一样增加颈椎骨数量,这与长颈鹿的脖子变成的原因如出一辙。这也说明了,长脖子在生物界真的有妙用。

长颈龙是中三叠世就有长脖子的生物丨来源:Pinterest

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陆地上的长脖子怪

拥有最长脖子的还是要属地球有史以来最庞大的动物――恐龙。最为地表最强生物,拿下脖子最长纪录,可以说是小菜一碟了。但脖子最长的是哪种恐龙呢,相信来自四川的同学们是要站起来抢答的。那就是来自四川宜宾市马鸣溪渡口的马门溪龙,由中国古脊椎动物奠基人杨钟健命名。脖子最大的种类为中加马门溪龙,最早发掘于准噶尔盆地,虽然化石并不完整,但仅一根颈椎骨就可达1.6米,颈肋长达4米,据可靠推测身长可达35米、重可达50吨、颈椎可超过17.5米,为体长的一半以上。另外,最新发现于河南汝阳的巨型汝阳龙也有一战之力,汝阳龙单个颈椎骨长达1.24米,但颈椎骨数量难以确定,预计约为19根,总颈椎长度在13-16米之间。但恐龙为何要拥有如此长的颈椎呢?如果只是为了吃到更高的树叶,貌似也没必要卷到如此地步。况且过于长的颈椎会为心脏带来极大的压力,导致脑供血不足。莫不是又有其他不为人知的用处?下面我们一起来探讨。

马门溪龙家族身高对比丨来源:wikipedia

侏罗纪公园:失落的世界 片段

马门溪龙和汝阳龙

马门溪龙(Mamenchisaurus)和汝阳龙(Ruyangosaurus)同属于蜥臀目真蜥脚类恐龙,分布在东亚,为亚洲最大的恐龙类型,颈椎长度为世界之最。体型庞大的种类一般为植食性恐龙,凿型齿适用于从树上切割下针叶,也可咬下种子蕨果实。马门溪龙生存于晚侏罗世至早白垩世,汝阳龙生存于早白垩世。因为化石的不完整性和稀缺性,使得对巨型恐龙的分类学是一件难事,因此到目前为止对马门溪龙等巨型蜥脚类恐龙的分类仍存在多个版本,是一件很长的历史故事。

马门溪龙化石和复原图

河南汝阳龙复原图丨赵闯 绘

对马门溪龙的颈椎的研究也十分有趣,最初的复原图中往往把马门溪龙的脖子画成水平的。但2013年的研究表明,马门溪龙的颈椎可以大幅度向上弯曲,甚至可以大幅旋转,正常情况下颈椎可以和身体保持30°。在一些特殊情况下,脖子可以高角度昂起,左右旋转,但无法一直保持高角度状态。虽然这种研究存在,但仍然无法确定所有的蜥脚类恐龙都能把脖子抬得很高。

对于蜥脚类恐龙长脖子用处有很多种说法,但无可否认的是这也是长期自然选择的结果,我们需要从多方面分析长脖子的用处。首先,从美观方面,有人认为长脖子可能具有吸引异性的功能。但很多恐龙吸引异性是通过独特的头冠和羽毛的颜色,用脖子来吸引异性多少有些得不偿失了。其次,像长颈鹿一样的食物进化说,可能站得住脚,因为侏罗纪的裸子植物有向着高处演化的趋势,一些果实也会生长在高处,所以为了恰饭,努力伸长脖子很合理。

恐龙的长脖子可以吃到很高的植物丨来源:Pinterest

另外,还有一种说法为防御说,因为之前讲到蜥脚类恐龙可以短时间把头高角度昂起,正所谓站得高看得远,20米的高度都可以达到7层楼高,它们能提早发现数公里外的危险,这些危险包括肉食性恐龙和火山活动。更有趣的观点认为,长脖子的用处可能是为了散热,因为侏罗纪的气候相对于现在还是十分炎热的,恐龙是通过皮肤进行散热的生物,但是随着体积的增大,单位面积的皮肤所对应的身体呈线性增加,所以庞大体积的恐龙需要独特的散热器官;而实际发现体型庞大的恐龙往往都具有长脖子,长脖子的皮肤和体积比较低可能具有散热的功能。

蜥脚类恐龙站起来可以看得很远

长脖子恐龙在炎热的侏罗纪很常见丨来源:wikipedia

什么?竟然有人会问恐龙为什么不会得颈椎病。因为它们用四足行动哇,并且四个庞大的脚掌,提供了稳定的重心,由背部承受脊椎压力,而不是像我们已经被压弯呈S状的脊椎。感兴趣的同学可以试一下生物的受力分析。

这些对长脖子功能的猜测都非常有道理,毕竟斯龙已逝,很难有活体供我们下定结论,或许我们还需要更多的化石证据来揭晓答案。

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天空中的长脖子怪

千万不要忽视天空的怪物,在天上飞的还有很多长脖子怪。现在的很多鸟也有着很长的脖子,抛开不会飞的鸵鸟,常见的鹈鹕、鸬鹚、鹳、鹤、雁、鹭、鹅等,都有着细长的脖子,深谙“一寸长一寸强”的道理,毕竟我们都见过鸟类争食的场景,只有脖子够长的才能最先抢到食物。但我们要说的主角虽然和鸟没有血缘关系,但是却趋同演化出鸟的外形,那就是翼龙。脖子最为夸张的当属翼龙之首――风神翼龙。

风神翼龙复原图丨来源:Pinterest

翼龙

翼龙(Pterosauria),与恐龙同一时期出现,生存于晚三叠世至白垩纪末期,在白垩纪末期大灭绝消失。翼龙以昆虫和小型脊椎动物为食,也有研究认为翼龙营腐食。早期翼龙具有牙齿和较长的尾巴,随着进化的过程,到了白垩纪牙齿已经完全退化,尾巴也变得很短,更加适应飞行,甚至出现了巨大型个体,如风神翼龙,为目前地球上出现的最大的飞行动物。

翼龙家族丨来源:Pinterest

但是回到脖子的问题上,我们可以看到最大的风神翼龙,翼展可达10米,头部可长达3米,站立时与长颈鹿等高,却有着比长颈鹿还长还细的脖子,很难想象这么细长的脖子是如何支撑起这么一个巨大的头颅的。但跟之前的两位一样,这是自然选择的结果,存在就肯定有其道理。根据趋同演化的原理,同样以飞行为生的鸟类,长脖子长嘴是为了更好地捕食,这样就很容易解释风神翼龙的3米长的头和3米长的脖子的用途了。那么新的问题来了,它们是如何保证这个纤细的脖子不被折断呢?

风神翼龙体型示意图丨来源:wikipedia

风神翼龙的身高对比丨来源:Pinterest

最新的来自摩洛哥的化石为我们解答了疑问,通过对一节保存完好的翼龙颈椎骨进行CT断层扫描,惊人地发现这个中空的颈椎骨竟然有极其复杂的辐条状支撑,连接在椎骨中央的通道上。这种结构不仅可以大幅减轻骨头的重量,还能大幅增强椎骨的强度,可以支撑起接近200公斤的重量。这也说明它们能轻易叼起很重的猎物。

断层扫描发现翼龙颈椎骨的独特结构丨来源:Williams et al., 2021

风神翼龙是空中制霸者丨来源:Pinterest

另外,还是要不厌其烦地纠正一下大家常犯的知识性错误。像蛇颈龙、翼龙这种爬行动物并不是恐龙,恐龙只包括双孔亚纲下的蜥臀目和鸟臀目,除了棘龙和恐龙演化出的鸟类外,一切在天上飞的、水里游的龙都不是恐龙。

综合而言,上天入地下海的生物里都有很多长脖子的生物,而且各有各的妙用。长脖子的出现并不是偶然,而是环境作用下长期选择的结果。万物必有因,为了生存生物也在不断地调整自己适应不断改变的环境。说不定在几千万年后,人类后代的脖子可能也变得很长。不过照目前看来,我们似乎正在把脊椎弯的更低了。多说无益,小编写完这篇,可能要去看一下颈椎病去了。保护颈椎,从打工人做起。

参考文献

[1] 维基百科

[2] Christian A., Peng G., Sekiya T., Ye Y., Wulf M.G., Steuer T., 2013, "Biomechanical Reconstructions and Selective Advantages of Neck Poses and Feeding Strategies of Sauropods with the Example of Mamenchisaurus youngi", PLoS ONE 8(10): e71172. doi:10.1371/journal.pone.0071172

[3] Leslie F. Noè, Taylor M A, Marcela Gómez-Pérez. An integrated approach to understanding the role of the long neck in plesiosaurs[J]. Palaeontologia Polonica, 2017, 62(1):137-162.

[4] Liu S, Smith A S, Gu Y, et al. Computer Simulations Imply Forelimb-Dominated Underwater Flight in Plesiosaurs[J]. Plos Computational Biology, 2015, 11(12):e1004605.

[5] Williams C J, Pani M, Bucchi A, et al. Helically arranged cross struts in azhdarchid pterosaur cervical vertebrae and their biomechanical implications - ScienceDirect[J]. iScience, 2021.

[6] 赵汉斌-科技日报-为了躲过灭绝?大块头恐龙的纤长脖子到底有何用?

本文经授权转载自微信公众号“中科院地质地球所”,原题目《一寸长一寸强,来看一下远古奇特的长脖子怪》,美编:许宏玺;校对:刘淇郡。

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