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一项新的恐龙足部研究揭示,蜥脚类动物之所以能长得如此巨大,一个关键特征起了作用

放大字体  缩小字体 2022-10-01 18:32  浏览次数:

Three large dinosaurs with long necks towering over a forest landscape

根据对蜥脚类恐龙足部的最新数字重建,我们第一次证明,柔软的脚后跟垫对蜥脚类恐龙支撑巨大体重至关重要。

蜥脚类动物重达50吨,在大约1亿年的时间里主宰着世界的生态系统,它们似乎在进化的早期就发展出了柔软的脚掌,这可能是让蜥脚类动物成为地球上曾经行走过的最大动物的关键一步。我们的研究发表在本周的《科学进展》杂志上。

“雷霆蜥蜴”

蜥脚类恐龙最引人注目的一点是某些物种的巨大体型:蜥脚类恐龙走路的时候脚可能会震动地球。事实上,最早被描述的一种蜥脚类动物的名字雷龙(Brontosaurus)吸引了大众的注意,它的意思是“雷蜥蜴”。

蜥脚类动物有长长的脖子和尾巴,靠四条柱子状的长腿走路,但它们一开始并不庞大。大约在2.3亿年前,这些恐龙的祖先是小型的两足动物,看起来很像它们的蜥脚类表亲兽脚亚目;估计也不会比鸵鸟重。

但从大约2.1亿年前开始,蜥脚类动物的祖先体型增大,估计体重接近一吨。最大的蜥脚类恐龙,如阿根廷龙、巴塔哥塔龙和南方巨兽,成年时可能重达50多吨,是现存最大陆地动物非洲象体型的十倍多。

不用说,这种体型的动物有巨大的脚。在澳大利亚西部的金伯利地区发现的一些蜥脚类动物的脚印超过1.7米长,足以让大多数人洗澡!

但蜥脚类动物的脚到底长什么样,它们是如何支撑主人巨大的成年体重的?

A rocky landscape of orange soil with a curved trail of large dents
西澳大利亚丹皮尔半岛沃尔马达尼地区下白垩纪布鲁姆砂岩中蜥脚类动物足迹的堆积。作者提供了

追踪蜥脚类动物

我(史蒂夫·索尔兹伯里)在金伯利花了多年时间追踪蜥脚类动物,长期以来一直在思考它们活着时的脚长什么样。前脚看起来很像大象,骨骼呈近乎垂直的半圆形柱状排列,除拇指外,手指骨大大减少。大多数蜥脚类动物的“手印”是典型的圆形或“豆形”。

尽管它们通常被描绘成柱状,然而,蜥脚类动物的脚与大象的非常不同。蜥脚类动物有长而灵活的脚趾,骨头之间的灵活性证明了这一点。化石足迹表明,它们可以伸展脚趾,在行走于不同表面时调整脚的张开度——这与我们今天在大象身上发现的情况不同。

Illustration of a sauropod overlaid with several models of sauropod foot bones
电脑模拟显示蜥脚类动物的脚上有一个软组织垫。作者提供了

长期以来,人们一直认为蜥脚类恐龙和其他恐龙一样,用脚趾走路,踝关节离地。然而,许多蜥脚类动物的足迹包括一个巨大的“脚跟”的印记。

这使得许多古生物学家推测蜥脚类动物有某种“脚后跟垫”。但除了足迹之外,蜥脚类动物脚后跟垫的确切证据还只是学术猜测。我们的工作旨在改变这种状况。

走在巨人的脚下

有了各种蜥脚类动物脚骨架的样子的知识,以及它们的足迹信息,Andréas Jannel开始试图弄清楚它们的脚可能是如何工作的,这是他在昆士兰大学博士学位的一部分。我们还与Olga Panagiotopoulou合作,他是现代动物脚部力学方面的专家,尤其是大象。

Andréas为各种蜥脚类动物和蜥脚类动物祖先的脚骨骼生成了3D数字模型。然后,他和奥尔加开始使用一种被称为有限元分析的技术来测试这些模型的强度。他们比较了不同的姿势对添加和不添加软组织垫的脚的机械行为的影响。

作用在波蜥脚上的力 有无软组织垫的Nes。作者:Andreas Jannel

不管脚的姿势——脚趾在地面上,脚趾部分在地面上,或者只有脚趾尖在地面上——没有一个模型能够承受蜥脚类动物在生活中遇到的机械力,除非它们的“脚跟”下也有一个软组织垫。

我们的研究结果表明,一个软组织垫可以缓冲整个脚部骨骼,使其在负重时吸收机械力。简单地说,如果没有脚后跟下面的垫块,蜥脚类动物脚上的骨头就会被它们巨大的重量压垮。

Illustration showing comparison of two foot models, one with soft pads and one without
蜥脚类恐龙有软组织垫来吸收巨大的重量,使它们能够在陆地上行走。作者提供了

巨人的到来

蜥脚类恐龙的先祖,如平龙,传统上被重建为走路时脚趾稍微离开地面,而且没有脚后跟垫。我们现在的模型表明,如果没有某种形式的额外填充物,它们的脚骨架不可能支撑它们的体重。

A man in dark jeans and a blue shirt lying next to a patch of red rock that is as long as he is
gooolarabooloo法律老板理查德·亨特 在澳大利亚西部的下白垩纪布鲁姆砂岩中,有一条1.75米长的蜥脚类动物足迹。留下这些足迹的蜥脚类恐龙的臀部高度约为5.4米。来自Salisbury et al.(2017)。作者提供了

一些被认为属于平龙等动物的化石足迹确实显示出脚垫开始在脚趾后面合并的证据。这种“初期”鞋跟垫——一个刚刚开始发展的鞋跟垫——将与我们的模型相一致。

蜥脚类动物前体中出现的早期足跟垫为更实质性结构的进化奠定了基础。到1.7亿年前,第一批“真正的”蜥脚类动物的体重超过了10公吨,它们留下的脚印显示出了发达的脚后跟垫。

舞台已经搭建好了,在1000万到1500万年间,重达30多吨的泰坦开始在地球上行走,巨型蜥脚类动物的多样化开始了。它们将在接下来的1亿年里主宰世界的生态系统。

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