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古生物誕生的初期,他們是按照什麼原則構成的?

2021-07-19由 宇宙的狂想曲 發表于 漁業

內肢結構什麼意思

作為遠古滅絕的、至今還殘留著化石的古生物有寒武紀的蝦型動物奇蝦和侏羅紀的大型海棲爬蟲類滄龍等,如今我們已經不知這些奇怪的動物在昔日海洋裡究竟是如何游泳的,抑或是怎樣進化而來的,更不能用現在的生物物種來想象它們。最近,日本神奈川大學宇佑見教授卻讓它們在計算機上動了起來,正確地再現了當年古生物在海洋中的活動情形。他將這項分析和復原的研究稱之為“用數字恢復失去的世界”。

億萬年前稱霸海上的奇蝦

古生物誕生的初期,他們是按照什麼原則構成的?

大約在5。7億年前的寒武紀時代,生物化石記錄開始變得豐富起來,此前種類不太多的生物一下子變得多樣化。另外,已經有作為化石容易儲存下來的硬殼。

那麼,初期生物的形狀是按什麼原則構成的呢?宇佑見教授帶著這樣的疑問開始了對古生物形狀的研究和探索。

古生物誕生的初期,他們是按照什麼原則構成的?

那是距今約5。3億年前加拿大英屬哥倫比亞省的伯吉斯頁岩動物群。現在知道當時的加拿大生活著各種各樣的動物,有長著五隻眼睛的奧伯皮蟲或有筒形軀體長著14枚荊棘的怪誕蟲,以及長得像蝦那樣的奇蝦等,如果從現在的常識來考慮,會發現許多怪異的物種。

古生物誕生的初期,他們是按照什麼原則構成的?

其中受到宇佑見教授特別關注的是奇蝦,這也是現在議論分類歸屬有不同看法的動物。奇蝦的頭上有一對莖狀大眼睛,還有一對強大的抓肢和一個具有尖牙利齒的巨大圓形口器。大眼睛使奇蝦具有寬廣的視野,強大的抓肢可用於抓捕並牢牢控制住較大型的動物,具有尖牙利齒的嘴能夠撕碎各類動物的軀體。奇蝦的腹面兩側具有槳狀的腿外肢和腿內肢結構,這使得它們既可以在海中迅速遊動,又可以利用腿肢抓捕其他動物。

在伯吉斯頁岩動物群中的奇蝦,體長2米,是個頭最大的,高居當時生態系的頂點,應該是最強大的捕食者,並且也是分佈區域最廣的動物之一,不僅在北美大陸,而且在中國、澳大利亞、東歐等地也發現有此類化石。

很難想象這樣大繁榮的生物沒有任何先兆就突然出現,變成當時生態系的霸主,但是確實也沒有發現連線奇蝦祖先的化石。從理論上來說,奇蝦在它到來之前的進化途中應該存在所謂“缺失環”上的動物,只是化石沒被發現而已。

進化途中的三種設想

既然沒有留下化石,要從古生物學上討論奇蝦的祖先是困難的,因此宇佑見教授在分別假定它細長的軀體為薄的長方體、鰭為板子的情況下製作成物理模型。他認為,以這個模型為基礎到誕生奇蝦的模樣大體上有三種途徑。

古生物誕生的初期,他們是按照什麼原則構成的?

第一種,假定是它原來細長鰭的幅度變寬,完成像化石所看到的模樣的模型。考慮其祖先的樣子是像蜈蚣那樣典型節肢動物的形狀,按這個模型推論,它最初的祖先與其說用鰭游泳不如說是用附肢腳在海底走。

第二種,假定它是由短鰭逐漸變長的模型。按這個模型推論,奇蝦的祖先應該是短腿的生物。

第三種,假定是奇蝦的軀體本身變長的模型。隨著軀體的變長,鰭的數量也增加。這樣軀體本身變長被視為三葉蟲成長的模式。

在這三種模型中,宇佑見認為最適合奇蝦的進化系譜是第一種模型。按第二種模型說,奇蝦的祖先是短腿生物,不能充分發揮游泳能力。為此,作為進化前的問題,可以說連種的生存都有疑問。

第三種模型實際上被視為三葉蟲等的進化模式,但是鰭的增加必須發現在基因上有大的變化才行。因為有三葉蟲的實際例子,這個模型不能一概否定。但是鰭的幅度變寬遠比鰭的數量增加容易發生。

古生物誕生的初期,他們是按照什麼原則構成的?

已完成的游泳能力

假定奇蝦像第一種模型那樣進化,那麼它的游泳能力是怎樣變化的呢?

為了容易計算游泳能力,宇佑見假定奇蝦的鰭都是7釐米寬。另一方面,按第一種模型設定,奇蝦最初祖先的鰭的寬度是3釐米。他將奇蝦進化分為五個階段,每個階段鰭的幅度變寬1釐米,並由此算出其游泳速度。其結果是奇蝦化石寬度在3~6釐米時,伴隨鰭變寬1釐米,奇蝦的游泳速度是10釐米/秒,到寬6釐米時速度為40釐米/秒。按宇佑見的說法,游泳所需的能量也是等間隔地增加。

但是,當被發現的奇蝦化石幅度到寬7釐米,這時算出其游泳能力顯著提高,達到90釐米/秒,而其所需能量與寬6釐米時幾乎一樣。即奇蝦用與寬6釐米的祖先同樣的能量卻能獲得其祖先2倍以上的游泳速度。

根據物理模型來看,奇蝦的游泳與現在的蝦酷似。如果進化繼續,鰭幅變寬,相鄰的鰭之間的縫隙消失,而且所有的鰭聯動,猶如水上起浪那樣,能夠有效地划水前進。此時,一串的鰭看上去像一個似的。

滄龍緩慢地游泳

古生物誕生的初期,他們是按照什麼原則構成的?

從現在的常識來看,奇形怪狀的海洋生物並不是僅限於伯吉斯頁岩動物群,如果將時鐘向前推移3億年左右,著眼於大約2。4億年前開始的恐龍時代的海洋,我們就能夠看到稱霸當時海洋的海棲爬蟲類是以魚龍類、蛇頸龍類和滄龍類三個群體為主。假如追溯它們祖先的話,均來自類似蜥蜴的陸地爬蟲類,宇佑見對上述各個群體的游泳方法推測如下:

魚龍類是包括魚龍在內的群體。許多魚龍的體型接近現在金槍魚,頭與軀體、尾巴構成短的流線型體型。從物理學上分析的結果知道,它游泳方式也是金槍魚型的,即一邊擺動身體後部一邊前進。

這種金槍魚型的海洋生物在游泳生物中能夠游出最快速度。具有流線型身體的魚龍適於分開水流前進,能以每秒2米的速度遊動。

包括體長9米的瘤龍在內,滄龍類是在現代海洋動物中看不到的型別,它具有利齒的兇猛強壯的頭部和像海蛇那樣細長的身體。從分析結果知道,它的游泳方式比起魚來更接近海蛇。

根據宇佑見的分析,滄龍可以使身體有大的彎曲,緩慢地遊動。其速度是每秒1米左右。滄龍有前後共計4枚鰭,但是這個鰭與游泳無關,僅為轉換方向使用。

古生物誕生的初期,他們是按照什麼原則構成的?

魚龍類、滄龍類的游泳方式透過物理計算已被算出,但是像薄片龍或雙葉鈴木龍等所知的蛇頸龍的游泳方式還有很多的迷。這讓宇佑見感到棘手。原來無論是魚龍或滄龍,均構成細長板那樣的身體,能夠用行進方向和左右的二維模型計算。但是,蛇頸龍的頭和軀體可以做出不同行進方向左右擺動和上下活動的三維模型,因此計算變得複雜,需要大量的時間。目前僅知道它們可將鰭作上下交替活動,故而推斷能夠比其他動物能更有效地游泳。難怪宇佑見說:“在海棲爬蟲類中,蛇頸龍構成最複雜的體型。分析它的游泳方式或許要花畢生的精力。”

綜上所述,型體長與游泳速度或游泳所必要的能量有密切關係。像魚龍那樣的金槍魚型,如果它的體型加長,則知道光是加長就能使游泳速度變快。與小型魚龍相比,大型魚龍的遊速要快得多。

從計算機分析來看,越是大型的金槍魚型魚龍越是需要消耗大量的能量去游泳,所以說它們是用能量消耗來換取速度的。

而像滄龍那樣的海蛇型則不然,即使體長變長,游泳速度也只能快到一定速度,其游泳所必要的能量伴隨體長的變長而增加,但是沒有金槍魚型的那麼多。一旦超過一定的大小,即使同樣的尺寸,滄龍也不能像魚龍那樣快速游泳。但是,其能量的消耗也小。

從這點上分析,我們也能在某種程度上推斷滄龍的生態,即滄龍不會到處遊,而是看見游到近處的獵物才猛地咬住。這意味著滄龍不是像魚龍那樣去周遊遠洋的。

宇佑見對復原遠古動物的計劃還剛剛開始,但是他充滿信心,希望透過物理學和古生物學兩個不同領域的相互合作,對過去只能用化石看的生物進行數字復原或對連化石都尋不到的缺失環上的生物進行創造,並用虛擬現實技術讓人們置身於虛擬的侏羅紀海洋生物世界,身臨其境地感受海洋霸主們驚心動魄的生存競爭。