恐龙的腿、头、心脏和肺-恐龙探秘

时间:2023-12-04 17:59:02

腿、头、心脏和肺

恐龙的脚垂直于身体之下,长在直立、柱状的腿上。在现生动物中,只有鸟类和哺乳动物也采取这种姿态;其他所有动物都是腿朝身体侧面伸出“趴卧”。许多恐龙也具有纤细的四肢,身体结构明显适于快速运动;这一系列的论据反映了这样的事实,即自然界往往不做不必要的事情。如果一个动物的身体结构看起来能够快速奔跑,那么它很可能就是这样的;因此预测这样的动物拥有一个充满活力的“发动机”,即内温的生理特征,使得它能够快速移动,这或许看上去就是合理的。然而,我们的确需要小心,因为事实上外温动物也可以非常迅速地移动——鳄鱼和科摩多巨蜥可以追上并抓住毫无戒备的人类!关键在于,鳄鱼和科摩多巨蜥并不能持续快速奔跑——它们的肌肉很快就会积累大量氧债,于是该动物就不得不休息,以使肌肉得到恢复。相反,内温动物能够快速移动的时间要长得多,因为它们高压的血液系统和高效的肺可以很快补充肌肉中的氧。

恐龙的腿、头、心脏和肺-恐龙探秘

对这一论据进一步细化,可以联想到双足行走的能力是内温动物所独有的;许多哺乳动物、所有鸟类,以及许多恐龙都是两足动物。这一论据不仅与姿态有关,而且关系到如何保持这个姿态。四足着地的好处是行走的时候相当稳定。而双足动物天生不稳定,要想顺利行走,就必须有一个复杂的传感系统来控制平衡,还要有一个敏捷的协调系统(大脑和中枢神经系统),以及反应迅速的肌肉,来调整和保持平衡。

大脑是这整个动力“问题”的中心,必须具备持续快速和高效工作的能力。这意味着身体能够提供恒定的氧、食物和热量补给,以使大脑的化学组成一直保持最佳的工作状态。这种稳定性的先决条件就是“平稳”的内温生理机能。外温动物周期性地停止活动(例如在寒冷的时候),并减少对大脑的营养供应,因而大脑必然较不复杂,且与整个身体的功能紧密结合在一起。

另一个与姿态有关的观察可以与心脏的效率及其承受高水平活动的潜力联系在一起。许多鸟类、哺乳动物和恐龙采取了直立的身体姿态,其头部的位置通常保持在略高于心脏的水平上。头和心脏位置的差异具有重要的流体静力学意义。由于头位于心脏之上,动物必须能以较高的压力将血液输送到“上面”的大脑中。但每次心跳的同时从心脏输送到肺部的血液必须以较低的压力循环,否则就会使布满肺部的脆弱毛细血管破裂。为了实现这个压力差,哺乳动物和鸟类的心脏实际上从中间分隔开了,因而心脏的左侧(体循环,或者说头和身体的循环)运转时的压力比右侧(肺循环)高。

所有现生爬行动物的头部都与它们的心脏处于大致相同的水平上。它们的心脏不像哺乳动物和鸟类那样从中间分隔开,因为它们不需要区分体循环和肺循环。奇怪的是,爬行动物的心脏和循环系统为这些动物带来了好处;它们能够以哺乳动物所不具备的方式向身体各处分流血液。例如,外温动物花大量时间晒太阳,以使身体暖和起来。在晒太阳时,它们可以优先将血液分流到皮肤,以更好地吸收热量(颇像太阳能电池板中央加热管中的水)。这个系统的主要缺陷是血液不能在高压下循环——而对于任何行为非常活跃、必须将食物和氧供应给辛勤工作的肌肉的动物来说,这都是一个必不可少的特征。

综合所有这些因素得出的结论是,由于其身体的姿态,恐龙具有高压的血液循环系统,这与仅发现于现生内温动物中的较高且稳定持久的活动水平相一致。这些更全面和详尽的考虑因素极大地支持了理查德·欧文引起争议的推测。

与心脏和血液循环系统效率密切相关的应该是给肌肉供应足够的氧的能力,以使动物能够进行高水平的有氧活动。在一些恐龙类群中,尤其是兽脚亚目和巨大的蜥脚形亚目恐龙,存在某些与肺部结构和功能有关的解剖迹象。在蜥臀目(而不是鸟臀目)恐龙的这两个类群中,脊柱的椎骨侧面有明显的袋状或腔状痕迹(称为侧腔)。孤立地看,这些特征也许不会引起特别的注意;然而,现生鸟类显示了相似的特征,也就是气囊的存在。气囊是一个像风箱一样的结构中的一部分,它使得鸟类可以非常有效地呼吸。蜥臀目恐龙极有可能拥有像鸟类一样的肺,因而它们的肺非常高效。

这一观察结果无疑支持了某些恐龙(兽脚亚目和蜥脚形亚目恐龙)具有保持高水平有氧活动能力的论点。然而,它也强调了这样一个事实,即不能认为所有恐龙(蜥臀目和鸟臀目)的生理机能在所有方面都是相同的,因为鸟臀目没有显示出气囊系统的迹象。