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霸王龙“小短手”的奥秘

文章来源:北京自然博物馆公众号         发布时间:2021-04-06

  作者: 李建军 
  北京自然博物馆研究员,从事以恐龙为主的古脊椎动物学的科研、科普和展览等工作。发表论文40余篇,恐龙足迹专著3部,科普著作2部,获“杨锺健科学传播奖”等奖。

 
  霸王龙是世界著名的恐龙!一提起恐龙,很多人都会首先想到的就是它。霸王龙生活在7200万年前到6600万年前的白垩纪最晚期。它是最大的食肉恐龙,分类上属于蜥臀目兽脚类恐龙中的虚骨龙类。它身长14米,站起来有6米多高,头骨很大,长1.5米左右,颈部短,肌肉发达,身体桶状,后肢强劲有力,3个着地的脚趾上长有锋利的爪子。
 
华盛顿自然历史博物馆霸王龙头骨 图片提供:李建军
 
  霸王龙的口中长着香蕉状牙齿,边缘还着生出许多小锯齿,最长的牙齿有16厘米长。通过对头骨的研究,科学家推测霸王龙具有很灵敏的嗅觉和立体视觉,而且听觉灵敏,科学家推测霸王龙能够靠耳朵辨别同类。霸王龙粗壮的身体,但是前肢很弱小,好像什么也干不了。瞧瞧这让人心疼的“小短手”~
 
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  图片来源:果壳网《快一个世纪了,这个孤单的恐龙头骨终于找回了自己的身体》
 
  其实,1989年和1990年在美国蒙大拿州发现了完整的霸王龙前肢,长90厘米,经过计算,这样的前肢可以举起200千克的重物。看来,这个前肢也还行,不像人们以前想象的那样什么都干不了。

(插图:霸王龙前肢——照片来自维基)
 
  但是,这个前肢,还给我们留下了一个谜。科学家一直争论不休:那就是——霸王龙前肢的这两个手指相当于我们人类的哪两个手指呢?
 
  我们陆生脊椎动物由于是起源于一个共同祖先,所以我们的身体结构都差不多,有一个共同的特点——四肢五趾(指),意思就是说“4条腿,每只脚上5个脚趾”(只有个别鱼龙,在四肢当中出现了“额外趾(指)”),但是,在进化过程中,随着不同的生态环境和生活方式,不同动物的脚趾就会发生不同的变化。比如,鸟类的后脚就剩3个脚趾着地,前肢变成了翅膀;牛、猪、羊虽然还可见到4个脚趾,但是只有两个脚趾着地;马就剩1个脚趾了;霸王龙的前足就剩两个了!我们人类,我们大脑发达,但是身体结构还比较原始的,我们的双手和双脚都还保留着原始的5个趾(指)。

陆生脊椎动物指(趾)骨区别 图片版权:北京自然博物馆
 
 
  很多原始爬行动物的脚都有一个趋势,就是Ⅰ指(趾)到Ⅳ指(趾)越来越长,Ⅴ指(趾)变短;在恐龙类群中,很多种类都是从外侧指(趾)开始退化的。其实看看我们的手指和脚趾,也能得到一些信息:俗话说,五个手指伸出来都不一边长,哪一个手指和脚趾最弱小呢?对,小拇指和小拇趾最弱小。这就说明,如果我们的手指和脚趾退化的话,就从小拇指和小拇趾开始。不过,大家别紧张,这辈子掉不了!
 
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  实际上,很多陆生脊椎动物脚趾的退化都是从最外侧开始的。在一些恐龙类群中,Ⅴ指干脆消失。于是,有的科学家就推测,Ⅴ指消失,Ⅳ指就变成外侧指了,那么下一个就是Ⅳ指消失,然后是Ⅲ指,所以霸王龙的小手就剩下Ⅰ指和Ⅱ指,相当于我们人类的大拇指和食指。一直到现在,很多科学家还是这样认为的。很多恐龙的教科书,以及一些恐龙网站,也都说是霸王龙的小手上的两个手指就相当于我们人类的大拇指和食指。
  然而,中国著名恐龙学者徐星在中国发现了霸王龙的祖先,发现了四个手指的祖先和三个手指的祖先,清清楚楚地看到兽脚龙类恐龙手指的退化过程!
 
中国著名恐龙学者徐星 图片来源:神秘的地球《<自然>杂志专访古生物学家徐星研究员》
 
  兽脚类恐龙和蜥脚型类恐龙分道扬镳之后,经历了腔骨龙类——角鼻龙类——异特龙类——虚骨龙类的进化历程,霸王龙就属于虚骨龙类。2009年,科学家在新疆发掘了难逃泥潭龙(Limusaurus inextricabilis)的骨架。
 
(难逃泥潭龙标本——引自徐星发在《自然》杂志的文章: Xu et al.,2009,Nature.Vol.459)
 
  难逃泥潭龙比较原始,生活在1.6亿年前的晚侏罗世早期。它个体较小,只有1.7米长。它的前足还保留有四个手指。确实,和科学家们推测的一样,第Ⅴ指消失。这一点符合以前人对兽脚类恐龙脚趾退化顺序的猜测。但是,难逃泥潭龙前足剩下的四个指中,第Ⅱ指和第Ⅲ指(相当于我们人类的食指和中指)很强壮,而第Ⅰ指最弱小,其次是第Ⅳ指。这就说明,兽脚类恐龙第Ⅴ指消失以后,下一个退化的并不像以前科学家推测的那样是第Ⅳ指,而是第Ⅰ指,相当于我们人类的大拇指。这一发现非同小可,颠覆了长期以来,科学界认为的兽脚类恐龙前足的退化模式。兽脚类恐龙前足手指的退化顺序应该是:先是最外侧指——第Ⅴ指;然后指内侧指——第Ⅰ指(大拇指),然后才是第Ⅳ指。原来兽脚类恐龙手指的退化是从两边开始的!
 
(难逃泥潭龙前足——引自徐星发在《自然》杂志的文章: Xu et al.,2009,Nature.Vol.459)
 
  这样看来,霸王龙的两个手指就不可能是大拇指和食指,因为在第Ⅳ指退化之前,大拇指率先消失;第Ⅳ指退化后,剩下的两个手指就是第Ⅱ指和第Ⅲ指,也就相当于我们人类的食指和中指。
  这两个手指现在大家最愿意用,每当高兴的时候,我们就伸出这两个手指做出胜利的手势——“耶!”大家可以设想一下,霸王龙在6800万年前就会“耶!”啦!
 
图片来源:baike.baidu.com
 
  还有一项研究也能证明霸王龙所剩的两个手指是食指和中指:现在很多科学家都支持鸟类是从恐龙演化而来,甚至鸟类就是恐龙的理论。
 
  在自然界,除了地层中有简单到复杂的化石以外,还有一个现象也能够证明生物进化:那就是个体发育重复系统发生个体发育的意思就是一个动物从受精卵经过胚胎发育过程,到最后出生,长成动物的形象。而系统发生指的就是从远古时期开始某类动物的进化过程。比如我们人类在进化中经历了从鱼到人、从猿到人的进化历程,而我们个体的人都是从受精卵开始在母体内成长的:先是一个受精卵细胞一分为二,然后二分为四,经过囊胚期,原肠期……,最后在出生的时候,长成人形。在这个过程中,我们的胚胎先和鱼差不多,后来又像爬行动物的胚胎,然后像猿的胚胎……,直到最后阶段才不像别的动物,而长成人的形状出生。实际上,在我们的胚胎阶段,我们在母体内重复了一次我们人类的进化过程。
  下面这张图分别简单地展示了8种动物(包括人类)胚胎发育过程中的三个阶段。

 几种动物胚胎发育对比——引自Storer et al.,1965,General Zoology,4thed.,McGraw-Hill Book Company
 
  第一个阶段,我们人类的胚胎和兔,牛,猪,鸡,甚至鱼的胚胎都很相似。这就说明早期阶段,我们这8种动物都经历了相同的演化历史,到了第二个阶段才分道扬镳,可是在第二个阶段,我们4个哺乳动物的形态还差不多。这就说明整个哺乳动物在鱼类阶段、两栖动物阶段和爬行动物阶段我们还没分开。这张图上8种动物的个体胚胎发育过程,分别重复了这8种动物的进化历程。
 
  我们知道,鸟类是从兽脚类恐龙进化来的。所以,在展翅飞翔之前,鸟类是和兽脚类恐龙一样的进化。鸟类在胚胎发育过程中,就重复了自己的进化历程。当然包括了恐龙那段的演化过程,也包括食肉恐龙手指的退化过程。在鸟类胚胎发育过程中,科学家们观察到,一开始是5指,后来变成了3指,3指后来演化成了翅膀。而鸟类从5指演化到3指的时候,就是第Ⅴ指先消失,然后是第Ⅰ指,演变成翅膀的三个手指是第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ指。

鸟类胚胎指骨发育图 图片版权:北京自然博物馆
 
  有些学者不承认鸟类是从恐龙演化而来的,就以这个胚胎证据为理由,指出恐龙手指的退化顺序和鸟类的不一样,以此证明鸟类不是从恐龙起源的。现在,我们的科学家还是以鸟的胚胎发育过程为证据证明鸟类就是从恐龙起源而来。以前认为的霸王龙和其他食肉恐龙前足手指的退化顺序是错误的,现在改正了过来,鸟类前足手指的退化顺序和食肉恐龙一样。
 
  好啦,这下你对霸王龙的特征更加了解了吧!
 
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  让我们再一次用霸王龙的手指来庆祝这一伟大的发现!

 
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  文章来源:北京自然博物馆公众号
  作者:李建军( 原北京自然博物馆研究员)
  插图:橡树先生


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