问题

哺乳动物体型变大会被重力压垮,那么恐龙为什么没被重力压垮呢?

回答
这个问题看似简单,背后其实涉及了生物学、物理学和地质学等多方面的知识。很多人会觉得,既然我们现在知道身体太庞大可能会被自身重力压垮,那为什么那些庞然大物——恐龙,能够安然无恙地站立行走,甚至在地球上称霸数千万年呢?答案并非一个简单的“它们没被压垮”,而是藏在它们独特的身体构造、生理机能以及当时地球的特殊环境之中。

首先,我们得明白一个基本道理:重力对所有物体,无论大小,都是同样作用的。 你我被重力牢牢地吸在地面上,一只蚂蚁也被吸在地面上。那么问题就来了,为什么体型差异如此巨大的生物,却都能“适应”重力呢?

一、 恐龙的骨骼结构:天生的承重巨人

这是恐龙体型庞大却能承受自身重量的关键。想象一下,如果我们人类的骨头也像恐龙那样,它们的结构和密度会完全不同。

粗壮且实心的骨骼: 和我们人空心、轻便的骨骼不同,很多大型恐龙的骨骼,特别是支撑身体重量的四肢骨骼,是非常粗壮且实心的。这就像用一根实心的钢筋来支撑一个巨大的平台,要比用中空的管子承重能力强得多。虽然实心骨骼更重,但其强度和抗压能力也呈几何级数增长。
特殊的关节设计: 恐龙的关节,尤其是踝关节和膝关节,它们的结构设计能够有效地分散和传递巨大的压力。想想我们走路时,膝盖和脚踝要承受身体的大部分重量,如果设计不佳,很容易受伤。恐龙在这方面显然有着非常高效的生物力学设计,能够将体重均匀地分布到四肢和地面。
与地面接触的面积: 许多大型恐龙,特别是蜥脚类恐龙,它们粗壮的四肢和巨大的脚掌,提供了更大的与地面接触面积。这就像我们穿高跟鞋和穿平底鞋的区别,平底鞋更容易分散压力,站得更稳。更大的脚掌意味着每平方厘米的地面承受的压力会减小,从而降低了被压垮的风险。

二、 肌肉的力量与分布:坚实的支撑系统

骨骼是框架,而肌肉则是驱动和支撑这个框架的“动力源”。

发达的肌肉群: 大型恐龙需要极其强壮的肌肉来支撑和移动它们巨大的身躯。你可以想象一下,那些脖子长达十几米的蜥脚类恐龙,仅仅是抬起它们的头就需要强大的颈部肌肉。它们全身的肌肉系统一定是按照其体型和生活习性进行了极好的“定制”。
重心控制: 恐龙身体的重心分布也非常重要。例如,许多大型恐龙都有粗壮的尾巴,这不仅是用来平衡,更重要的是可以调整身体的重心。当它们行走时,尾巴的摆动能够帮助身体维持稳定,尤其是在转向或适应不平坦地面时,尾巴的配重作用就显得尤为重要。

三、 呼吸系统与生理机制:高效的供氧与排热

这部分可能不直接关系到“被重力压垮”,但与维持如此庞大的体型是息息相关的,也间接说明了它们身体的整体适应性。

鸟类式的呼吸系统: 许多古生物学家认为,一些大型恐龙,特别是兽脚类恐龙的近亲,可能拥有类似鸟类的呼吸系统,即拥有气囊。这种呼吸系统能够提供比哺乳动物更高效的氧气交换。想象一下,如此庞大的身体需要大量的氧气来维持新陈代谢和肌肉活动,高效的呼吸系统是必不可少的。
新陈代谢与体温: 恐龙是否是恒温动物还是变温动物,至今仍是学术界争论的焦点。但无论哪种情况,它们都发展出了能够支持其体型的生理机制。如果它们是恒温动物,那么它们的新陈代谢率会很高,需要充足的能量来维持体温和活动,这也就意味着它们需要非常高效的消化系统和呼吸系统来处理食物和氧气。即使是“冷血”恐龙,其体型也需要能够有效地从环境中获取热量或者进行新陈代谢来维持最低的活动水平。

四、 地球当时的特殊环境:不一样的“重力场”?

虽然我们现在理解的物理学定律在过去也是适用的,但当时地球的环境可能对大型生物的生存起到了辅助作用。

大气含氧量: 在恐龙时代( Mesozoic Era),地球的大气含氧量可能比现在要高。更高的氧气含量能够支持更活跃的新陈代谢,也能为大型生物提供更充足的动力和能量。
植物的丰盛: 恐龙时代的植物非常繁盛,特别是大型蕨类和针叶树。这些为食草恐龙提供了充足的食物来源,也间接支持了捕食者恐龙的存在。充足的食物意味着恐龙可以获取更多的能量来维持其巨大的体型和活动。
重力加速度(相对稳定): 需要强调的是,地球的重力加速度在恐龙时代并没有发生显著变化到足以影响生物体型的程度。我们今天所感受到的重力,在当时也同样存在。所以,恐龙“没被压垮”并非因为当时重力小了,而是它们自身适应了当时的重力。

五、 生长模式:从小到大,而非一夜之间

恐龙并非一出生就是庞然大物。它们也是从蛋里孵化出来,从小慢慢长大的。

渐进式的生长: 恐龙的骨骼和肌肉系统是在生长过程中逐渐发展壮大的。这意味着它们的身体结构在发育过程中,能够不断适应并承受不断增加的体重。就好比一个正在建造的摩天大楼,每一层楼的建设都会考虑到下方结构的承重能力,循序渐进地向上延伸。
与现代动物的对比: 现代动物之所以在体型上受到限制,很大程度上是因为它们的骨骼和肌肉结构是按照现有的生存环境和生活方式演化而来的。人类骨骼的密度和承重能力,足以支撑我们目前的生活方式,但如果要像恐龙那样长到几十吨甚至上百吨,我们现有的身体结构将是远远不够的。

总结来说,恐龙之所以没有被重力压垮,是因为它们在漫长的演化过程中,发展出了一整套与它们巨大体型相匹配的、极为高效的生物力学和生理学系统。 它们粗壮实心的骨骼、特殊的关节设计、发达的肌肉群、高效的呼吸系统,以及有利的生长模式,共同构建了一个能够完美支撑其庞大身躯的“活体工程”。这就像一件精密的工程设计,每一个部件都经过了严苛的考验和无数次的优化,最终才能承受住那巨大的重量,并在地球上留下了它们不可磨灭的印记。我们之所以觉得难以想象,是因为我们用的是“人类的身体标准”去衡量“恐龙的身体标准”,而事实是,大自然早就为这些巨兽量身定制了一切。

网友意见

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恐龙的骨骼结构,支撑-行动方式,呼吸系统,内部器官的体积,都比哺乳动物更适合大型化。

仅仅从颅骨方面看,相比厚重、实心的狼颅骨,恐龙颅骨各种开孔、镂空,极尽减重之能事~~~~~而且强度还没什么区别。

颅骨镂空减重是整个双孔亚纲都自诞生以来就存在并且不断完善的优势,到了主龙形下纲将其发扬光大,至恐龙将其发展到了顶尖水平。只不过做到巅峰的并不是恐龙,而是恐龙的姐妹种族翼龙


除了颅骨以外,较为进步的一些恐龙类型还演化出中空结构的骨骼,进一步减重。现存的鸟类就保留了这样的结构。

这就使恐龙的结构密度低于合弓纲。

同等体积之下,体重更轻。或者同等体重之下,体积更大。

再加上恐龙的气囊呼吸系统获取氧气-排除废气的效率大大强于哺乳动物,足够支撑更庞大的体积而不怕末端缺氧。

而且气囊占据了体腔内的大量空间,增大了体积,但是却没增加多少重量

此外气囊还有一个好处,就是使得恐龙体内有大量直接接触空气的面积,能高效地将体内多余热量通过呼吸排出体外。这一点,又解决了如果体积过大的话,就会导致内部器官散热困难的问题。

虽然中生代的主流植物体系能供养更大的素食动物,进而供养更大的食肉恐龙的确是事实,但是很多人认为的新生代哺乳动物长不了恐龙那么大的原因是大气含氧量低的观点是错误的。特别是白垩纪时期的大气含氧量并不比现在高,甚至白垩纪大部分时期的地球气温也处于持续下降的趋势,但是这都没能阻止恐龙的大型化。恐龙的呼吸系统优势,相比哺乳动物,等于是起到了提高大气含氧量的作用,氧气浓度越低,恐龙的优势越大。

总的来说,恐龙的体积上限要大于哺乳动物。且不说巨型蜥脚类,即便是不以尺寸和体重见长的鸟臀目恐龙,鸭嘴龙科也能轻松超过10吨,体积更是远远大于哺乳动物的极限,而这种级别的恐龙在中生代占据的也就相当于现在羚羊的生态位。迄今为止发现的最大的鸟臀目恐龙是中国发现的巨型山东龙,已经是高8米长15米级别了,这已经是陆生合弓纲无法望其项背的水平了,而且4吨副栉龙还能以40公里以上的速度奔跑,跟马的速度差不多。而这个级别的哺乳动物,速度起码要减半,恐龙大型化的优势可见一斑。

不过凡事都有代价,恐龙的大型化上限虽然要高于哺乳动物,但是小型化下限也要高于哺乳动物。恐龙专精的这些结构减重天赋树,只有体积大到一定程度之后才具有优势,体积越大优势越大。

但是只有老鼠那么大的不能飞的小型恐龙,相比只有老鼠那么大、甚至更小的哺乳动物,并没有什么优势。

这就是为什么鸟类能成为唯一延续至今的恐龙的原因:太大的恐龙扛不过大灭绝,太小的恐龙竞争不过哺乳动物,只有一部分小型鸟类扛过了大灭绝,又靠飞行避开了和小型哺乳动物的直接竞争,才得以存续至今。

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题主想问恐龙骨骼,那就说一些我知道的,关于蜥脚类恐龙的,即大众印象里的长脖子恐龙

1.前肢和后肢的小升级

恐龙刚出现的时候,大约就1米多长,体重较轻,所以普遍是二足行走。后来伴随体型的增大,尤其是蜥脚类恐龙及其亲戚,为了减少后肢的承重负担,开始出现兼性二足或专性四足行走的恐龙,如此一来,前肢开始着地,开始发生变化。

以地爪龙Aardonyx 为例,它是一种正朝向四足步态演化的恐龙,既能以两足方式行走,又能以四足着地移动。

地爪龙。© cisiopurple

虽然它还不属于蜥脚类恐龙,但它已经表现出蜥脚类恐龙的部分特征,比如前臂的桡骨和尺骨相互交错,使前肢变得结实,从而能够有效承重,并避免负重带来的扭伤。在往后的蜥脚类恐龙中,也就是所谓的几十米大恐龙,骨骼也更加大,桡骨和尺骨的连接现象更加显著,前肢也更加结实。

Aardonyx=地爪龙,它旁边是蜥脚类,可以看到两者的桡骨和尺骨都相互交错。

此外,研究人员还观察到地爪龙的后肢也发生变化,其大腿骨变大,且长于小腿骨,这一种现象在后期蜥脚类恐龙中也尤为明显(股骨和肱骨更长),这表明地爪龙的四肢演化方向更适合支撑体重,而不是高速奔跑。

小腿骨(胫骨)与大腿骨(股骨)的长度比值可以反映该种动物的运动速度:比如,善于负重、行走不快的大象,其比值为0.60;比赛用的骏马奔跑速度很快,其比值达到0.92;今天动物世界的快跑能手——羚羊,比值是1.25。

也就是说,善于负重的动物大腿骨长度>小腿骨,善于奔跑的动物大腿骨长度<小腿。

2.柱状四肢完全体

后期的蜥脚类恐龙基本上都演化出了柱状四肢,以此来支撑庞大的身体。同时,它们以脚趾行走,后脚掌离地,取而代之的是一个又宽又厚的大肉垫,从而起到缓冲、避震的作用。

长颈巨龙和腕龙,可见后脚的肉垫。图源Scott Hartman

每走一步,都像是一根缓缓垂直移动的大柱子,这是因为股骨的变化导致尾股肌系的附着位置变远,使蜥脚类恐龙移动时的出力较多、速度更慢,但从而也获得了更高的稳定性,可以说是通过限制四肢的活动范围来提高稳定性和承重能力

3.骶椎增加

除了腕龙等个别前肢较长的恐龙外,绝大多数蜥脚类恐龙是后肢承担了大部分体重,或许它们需要考虑加固骨盆结构,以免倒塌。

事实也的确如此,在蜥脚类恐龙演化的过程中,骶椎的数量不断增加,从基干蜥脚形亚目的3个增加到基干蜥脚类的4个,而后期大多数蜥脚类恐龙有5个,一些泰坦龙类甚至是有六个骶椎。骶椎与骨盆相连,对骨盆起到一定的支撑和保护作用,帮助身体承受更大的重量。

sacral vertebrae 所指区域为骶椎(位于后肢上方)

4.其它升级——轻量化结构

所谓的轻量化结构,就是其它回答提到的气囊以及布满空洞的脊椎骨。当然,这种结构并不局限于蜥脚类恐龙,最早的恐龙仅在颈椎有气囊,但随着演化的进行,气囊也逐渐变多。

尼日尔龙和萨尔塔龙的气囊系统(蓝色 绿色 黄色-气囊,橙色-肺部)

这种轻量化的升级不仅能够提高蜥脚类恐龙的体型上限,也提高了它们的呼吸效率,这里就不过多赘述了,其他答案都有说了。

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