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發現了新的恐龍化石,如何知道ta的年齡?切大腿!

科普中國-科普融合創作與傳播 2019-04-04

  出品:科普中國

  制作:秦子川 DinosaurX團隊(中國科學院古脊椎動物與古人類研究所)

  監制:中國科學院計算機網絡信息中心

  關注恐龍研究的朋友們可能會發現,近年來很多恐龍研究論文,都會在文章中拿出一部分來展示一些色彩斑斕的“顯微照片”。我們的都知道,恐龍大多是一些大家伙,那這些“顯微照片”是從何而來呢?又有什么用處呢?

  這種研究就是骨組織學。骨組織學是發源于現生動物研究的一種研究方法,簡單來說,就是研究者采用切磨片或者其他方法,去觀察動物骨骼的組織結構。和傳統的形態學描述不同,骨組織學研究更加細微,往往是微米量級的結構。骨組織學能解決很多傳統形態學不能解決的問題,其中之一就是化石的年齡問題。

  骨組織學告訴我們恐龍的年齡

  研究這些細微的結構,首先能直觀的告訴我們的信息,就是恐龍的年齡恐龍的年齡,可以分為兩種:相對年齡和絕對年齡。

  1.相對年齡

  相對年齡,用人類自身來舉例子,“兒童”、“中年人”、“長者”等都可以用來描述一個人的年齡。在我們的研究中,我們用的是類似詞語,稱之為不同“個體發育階段”,來描述相對年齡大小不同的恐龍個體。比較常用的,包括“胚胎期”“嬰兒期”“幼年期”“亞成期”“成熟期”等。

  那怎樣得到恐龍的相對年齡呢?

  首先是可以通過對恐龍化石本身的觀察來進行判斷。動物的個體發育過程,是會在它們的骨頭之間,骨頭表面留下痕跡的。隨著恐龍逐漸成年,它們部分的骨骼之間會相互愈合,變得不再靈活。另外,幼年恐龍骨頭外表面往往具有一種樹皮狀的紋理,這是骨骼發育早期的特征,也可以作為指示恐龍相對年齡的證據。

  另外,相對年齡還有更淺顯的得知方法。如果科學家發現了很多很多的某種恐龍化石,它們又大有小,就可以基于種群的年齡分布,去推斷這些標本大致處于什么年齡階段了。

  2.絕對年齡

  相對年齡,實際上可以說一種“老古董”的方法了。由這種年齡并不像“幾歲”,“幾十歲”的絕對年齡那么直觀,在后續研究上,也不如絕對年齡的數字用起來方便。

  這樣看起來,絕對年齡對研究恐龍生活非常重要,可是恐龍滅絕這么久了,怎么恢復億萬年前恐龍的絕對年齡呢?

  切大腿!

  想必大家都在小學自然課本里面學過如何判斷一棵大樹的年齡,那就是鋸開樹干,計數年輪的數目。

  實際上,這種每年一次的生長標記,也廣泛的存在于包括恐龍在內的爬行動物當中。如果我們把恐龍的長骨(如大腿骨,小腿骨)切開,一樣可以看到像樹木年輪一樣的環狀結構,被稱為“生長標記”,只需要計算有多少條“生長標記”就可以了。

  當然,恐龍的“生長標記”研究起來還是要比年輪復雜一點。其中一個非常嚴重的問題就是,骨骼當中是有中空的髓腔的(骨髓腔,就是長骨中間的空腔,我們熟悉的“造血干細胞”就生活在骨髓腔里面),髓腔擴張不斷侵蝕骨骼,因此骨骼內側,先形成的骨質就連帶著之前形成的“生長標記”一起被侵蝕掉了。這樣,我們切開大腿,看到的“生長標記”數目,一般要比恐龍的絕對年齡小。

  為了解決這個問題,古生物學家們引入了數學手段,根據一些現生動物的生長模型,反推被骨髓腔侵蝕的“生長標記”數目。一般模型是一些成熟的函數曲線,我們一般稱之為恐龍的“生長曲線”。這種方法不但可以推算恐龍的年齡,還可以根據年齡和相關體重數據,計算恐龍的生長速率(體重增量/時間=生長速率)。這就是我們常聽到的“霸王龍可以活xx年,每年都可以長大xx公斤”的研究來源。

  骨組織學研究的發展前景

  骨組織學可以很好的幫助人類了解恐龍的壽命,但這種方法也有他的局限性。恐龍化石材料非常珍貴,不是所有化石都可以進行組織學研究。有些恐龍化石非常稀少,種內只有一件,甚至不足一件標本,這樣的化石,是很難進行骨組織學研究的(畢竟是破壞性試驗,切了就沒有了);另一類情況,是一些化石在埋藏過程和化石化過程中,本身的礦物結構受到大規模的改造,外形上看起來是恐龍的“形狀”,化石已經失去了恐龍的“成分”,這樣的化石切開,就什么都看不到了。有一些恐龍,骨組織學研究進行的較多,科學家對他們的了解也更加充分。

  最典型的例子,就是最有名的恐龍雷克斯暴龍。科學家通過對雷克斯暴龍的骨組織學研究,不但還原了它們的壽命,生活歷史,還得到了它們的生長速度,解釋了“暴龍為什么這么大?”這個每人孩提時候都感興趣的問題。

  骨組織學不僅可以知道恐龍的年齡,還能反應性別差異、生物力學功能等等問題,是學界熱度很高的研究手段。希望在未來,能夠有更多的恐龍化石接受骨組織學研究,讓我們一探化石內部的究竟。

責任編輯:王超

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