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王孟源吧
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【基础科研】【战略】恐龙的起源
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一般人在少年期,对恐龙会有或多或少的兴趣。但是像我这一代人,在40年前的那个人生阶段,如果问起恐龙的起源,是无法得到确切解答的。当时的科普文章对这件事支支吾吾、语焉不详,倒不是因为在互联网出现之前,没有人愿意传播这种知识,而是因为当时的古生物学界真的不知道答案。
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1楼
2018-10-24 15:54
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那时的理解,是在Triassic Period(三迭纪,251.9 - 201.3Mya)开始不久,最早的恐龙就演化出来,但是远远不是陆上大型动物(Major Terrestrial Fauna)中的主角;最大和最普遍的的草食动物和肉食动物,都是更“原始”的爬虫类(Reptiles),或是哺乳类(Mammals)和其先祖(Proto-mammals)。可是在三迭纪结束之前,恐龙早已成为地球陆地的王者。
这样的叙事,对接触过古生物学的人来说,是很奇怪的。演化的过程,并不是持续的缓慢演进,而是在长期的稳定之后,会突然发生短暂的巨变。这是因为,基因的突变固然是随时间慢慢持续纍积,但是如果环境的变动缓慢,那么每一个生态界的活动角色(Ecological Niche)都很难换手,既有的角色占有者早已为其优化,不容许新的竞争者进入。所以这些基因突变一般就只能在次要的、隐藏的功能上做小小的改进,像是外形反而不动如山。只有在地球环境本身有了突然的改变,空出了活动角色的空间(Niche),后续的基因突变才有动力推动外形的变化,以占领新的生活空间。
自从多细胞生物在地球上扩展开来,并开始留下化石之后,在生态史上有过6次最大规模的物种灭绝(第6次是人类造成的,正在进行之中)。而古生物/地质学(地质学关心环境变化对地壳岩石的影响,古生物学则研究环境变化对古生物的影响;地质学可以追溯更早远,所以这些定义其实来自地质学)所说的“纪”(“Period”)或者“代”(“Era”,比纪高一级,每个代含3-6个纪)的边界一般就对应这这些大灭绝事件。例如三迭纪的起源是Permian-Triassic(P-T) Extinction Event(二迭纪-三迭纪灭绝事件),又叫做Great Dying(大死亡),因爲它是物种灭绝最彻底的一次,96%的海洋物种和70%的陆上物种灭绝了,并且因而推翻了原本陆上的霸主:两栖类。三迭纪的结束,则是Triassic-Jurassic Extinction Event(三迭纪-侏罗纪灭绝事件),同样名列6大灭绝事件之一。
现在读者可以理解前述的谜题:新一类的生物大规模取代原始物种,应该是在一个纪刚开始的阶段,那么恐龙取代爬虫类和哺乳类,为什么是反其道而行呢?这个问题的答案,一直到最近20年,随著一系列新的研究结果,才逐渐揭晓。
首先,环境的改变,来源可以有很多种,例如陨石撞地、火山爆发、新生物功能的演化(例如叶绿素的演化,为大气层带来氧气)、大型露天煤床的燃烧、板块漂移等等。它们的影响,有大有小,并不是只有超大型一级。所以地质学在Era之上,还有Eon(宙);而在每一个Period之下,又分Epoch(世);Epoch之下,还分了Age(期)。但是请注意,定义这些世代的,是地质学家,他们根据的是岩石结构的变化。这些世代通常和古生物的演化过程有很好的对应,但是也有例外。
如果恐龙的掘起,发生在两个Epoch的交界处,古生物学界或许早就有结论了。如果是发生在两个Age交界处,大概也不会拖到21世纪才搞清楚。偏偏它是前述的,地质世代不对应着古生物演化节奏的最重要例子。
这个在地壳岩石里没有留下很大痕迹,却对古生物有极大影响的气候变化,叫做Carnian Pluvial Event(CPE,Carnian期多雨事件)。Carnian期是三迭纪中7个期的第五个,对应着237-227Mya(Million Years Ago,百万年前)。CPE发生在230Mya前后,持续了大约200万年。
顾名思义,CPE指的是降雨量的大幅增加,在很多地方高达三倍。三迭纪本身是地球历史上最乾燥的时期之一;这是因为当时所有的陆地板块刚好都撞到一起,形成一个超级大洲,叫做Pangaea(盘古大陆)。雨云一般不能深入几千公里的内陆,所以除了海岸线附近之外,当时的生态环境以沙漠和干燥草原为主(我说“草原”,但是其实青草还没有演化出来,这里指的是占据同一个Niche的原始植物)。Pangaea的分裂,是一个缓慢逐渐的过程,和CPE没有决定性的关系。
IP属地:北京
2楼
2018-10-24 15:55
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世界对白
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目前的猜测,是当时因为地质(刚好同时,阿拉斯加有火山运动)原因,有了大量的二氧化碳排放,经过严重的全球暖化之后,大气包容水汽的能力也大幅增加,使得雨云能深入内陆。
IP属地:北京
3楼
2018-10-24 15:55
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世界对白
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我以前曾经提过,恐龙的生理机制,比起哺乳类和爬虫类有几个优势。其中之一是它们的呼吸系统不是死巷子,而是一个圆环,效率很高。但是CPE并没有减低大气的含氧量,所以这不像是恐龙掘起的决定因素。另一个优势是它们蛋白质代谢的最终产物,毒性较低,不需要大量的水来稀释成为尿。这应该在干燥环境下很重要;CPE是短暂(从地质学的观点来看)的多雨期,或许其他动物在适应了潮湿环境后,一旦CPE结束,就由奢入俭难。
但是还有另一个可能,CPE期间的雨量,容许新的、更高的植物(不是现代意义的树木)演化出来;恐龙的体内有气囊,所以单位重量密度低,强度却没有下降,容易长大长高(这也是爲什么后世的恐龙能演化到比大象大得多的程度),所以可以很快适应新食物,独占新的生存空间。恐龙对食物的分解,除了牙齿之外,还应用胃石(Gastrolith)来研磨,效率高,吸收比率好,也是另一个小小的优势。
不论细节为何,CPE在短短的200万年里,先是变得很潮湿,然后又变回干燥,强迫着所有的陆上大型动物做出两次同步起跑点的公平新竞赛,也就给予了恐龙掘起的极佳机遇。恐龙从CPE之前佔陆上大型动物的5%,一下上升到其后的90%。它的霸主地位,延续过了前面提到的三迭纪-侏罗纪灭绝事件,一直到66Mya的Cretaceous-Teriary (K-T)Extinction Event(白垩纪-第三纪灭绝事件),才让位给哺乳类。
古生物学,算是一个很纯的科学,也就是说,它基本没有经济上的实用价值。本文前面的讨论,似乎有关于全球暖化的效应,可以用来借镜,但是实际上古气候学是独立于古生物学的。这里是后者应用前者的结论,并不能代表后者有了什么应用。而且当前全球暖化的速度,比CPE高1000倍左右,所需的研究精度也相对更高,原本就有其他更可靠、更精确的研究手段(例如计算机模拟),不能说古气候学有什么重要的应用价值。然而我仍然喜欢研究瞭解这些议题,因爲它们扩展我的视野、提升我的思考层次。我在前文《漫谈两个假说(一)》里面曾经提到,从人类整体的观点来看,纯科学是满足求真的自然欲望;但是从个人的角度来看,对纯科学的涉猎,其意义就在于扩展视野和提升思考层次。希望我的科普系列文章,对读者也有这方面的帮助。
IP属地:北京
4楼
2018-10-24 15:56
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【后注】我想了想,觉得本文的引申意义,还是写得太隐晦了,应该点明比较好。如果读者在第一次閲读的时候,没有想到下面所提的对比(亦即两栖类=英国,爬虫类=美国,恐龙=中国),我建议你重读全文一次。
我说“扩展视野和提升思考层次”,一个直接的例子,就是文中的第三段,有关既有生态地位,一般是相对稳定的,没有背景环境变化的助力,就不容易被取代;这对当前的国际情势,也是适用的。中国如果以为美国会像英国一样和平让位,就完全忽略了一战和二战那种历史性的外来环境因素,自然是会被打脸的。
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5楼
2018-10-24 15:56
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taot34
活跃吧友
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太专业
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6楼
2018-10-24 21:55
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贴吧用户_0yDXE68
活跃吧友
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开眼界。。
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7楼
2018-10-30 16:15
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