作者：廖俊棋

編輯：Yuki

 

“胖子怕熱”雖然是日常調侃人的一句話，但對某些大塊頭的生物來說，這可真不是鬧著玩的。體型的增大，代表著體表面積與體積比值縮小，因此體內的熱量就會難以散發出去。所以如果真的有巨人存在，那他的身體一定是渾身發燙的。

 

(渾身冒煙的巨人｜《進擊的巨人》)

 

巨人雖然只存在于神話當中，但遠古的地球上，確實存在過龐然大物——恐龍。它們有著碩大無朋的身軀，以拔山倒樹之姿，稱霸了溫暖甚至些許炎熱的中生代大陸。透過化石，我們往往驚嘆于演化對恐龍體型所帶來的奇妙變化，但這同時也好奇一個問題—— 它們是如何解決散熱難題的?

 

  

執念于恐龍散熱的研究團隊

  

 

動物身上有許多構造對溫度的變化非常敏感，尤其是大腦這種需要消耗非常多能量的器官， 如果頭部有過多的溫度無法發散，高溫可能會導致蛋白質變質或降解，也就是傳說中的“燒壞腦子” 。這會嚴重威脅到生物的生存，甚至導致死亡。

 

體型較小的動物，表面積/體積數值大，容易散熱，加上它們也容易躲避到陰涼處或挖洞鉆到地下，體溫過熱對它們并不是太嚴重的問題。但對于身長數十米，體重達到幾十噸的大型恐龍來說，除了“ 無地自容 ”（沒有陰涼的洞穴可以鉆）外，碩大的體型也難以排出熱量，積蓄的體溫甚至可能上升到危及生命的程度。那么，它們究竟是如何應對中生代的炎熱的？

 

最近，發表在《解剖學紀錄》( The Anatomical Record )的一篇文章，就試圖解開這個謎團。來自美國俄亥俄大學的魯格·波特（Ruger Porter）以及勞倫斯·威特默（Lawrence Witmer），通過重建恐龍頭部血管的分布模式來解析大型恐龍散熱的策略 [1,2] 。

 

這其實不是他們第一次嘗試破解恐龍的生理結構和體溫調節等相關問題。2014年，這個課題組就對腫頭龍類的劍角龍( Stegoceras )頭骨進行過類似研究 [3] 。他們對這類恐龍的頭骨進行了CT掃描和呼吸道結構模擬，由此發現， 腫頭龍類的呼吸道結構可能和腦部散熱的功用有一定關聯 。

 

(美國俄亥俄大學的魯格·波特博士和勞倫斯·威特默博士。四周是他們研究的恐龍頭骨模型｜witmerlab)

(氣流在劍角龍鼻腔內的壓力及速度分布圖：圖中模擬了它們的鼻腔結構，顏色越紅代表有越高的氣流壓力及速度｜參考文獻[3])

 

2018年，這個小組將目光轉移到有陸地坦克之稱的甲龍類身上 [4] 。甲龍類恐龍有著復雜的鼻腔通道，而他們將甲龍類的甲冑龍( Panoplosaurus )及包頭龍( Euoplocephalus )進行與氣流相關的計算機仿真后，確定了這個結構與熱能的傳遞有關，并 能幫助它們節省能量的消耗以及維持腦內熱能的穩定 。

 

(甲龍類有著復雜的呼吸道系統。圖為包頭龍｜參考文獻[4])

 

而就在今年7月，課題組的成員打起霸王龍以及其他一些恐龍腦袋的主意 [5] 。在對化石進行觀察研究以及和鱷魚等近親相互比對并進行計算機仿真后，他們發現 霸王龍頭骨頂上的上顳孔以及周邊的血管對體溫調節起到重要的功用 。

 

(霸王龍、鱷魚的上顳孔還擔任體溫調節的重任｜參考文獻[5])

 

而在2019年10月這篇最新發表的文章里，研究者們用廣泛且更量化的研究，顯示出不同種類大體型恐龍的體溫調節策略。

 

  

誰說胖子都一個樣?

  

 

想要排出多余的熱量，最有效的方法就是依靠蒸發 。在我們生活中無論是空調的冷卻或是我們的揮汗如雨，這都是通過水蒸氣蒸發時帶來的涼爽來避免過熱。而想要讓大腦“冷靜”下來，就必須找到可以讓水氣冷卻揮發的通道，例如眼睛、鼻孔和嘴巴都是有利的候補 [2] 。因此追蹤通過這些區域的血管就成了研究的關鍵。

 

為了更精確地重建出恐龍血管的走向和分布，該團隊除了運用CT來檢測恐龍頭骨外，同時用現生鳥類和爬行動物的身體結構來進行比對。重建恐龍生理結構后的研究結果發現，這些大型恐龍并不是仰賴一個“通則”來散熱，而是各自施展不同的本領。

 

(將化石與現生的類群進行比對，可以觀察顎骨上孔洞的形態了解通過口部區域的血流大小。如包頭龍和劍角龍就和鬣蜥比較接近，流經口部的血管較細；而圓頂龍和梁龍則和鱷魚比較相近，流經口部的血流較豐富。紅色箭頭代表細部圖的位置和角度｜參考文獻[1])

 

研究結果發現，腫頭龍類的劍角龍頭部的血管分布比較均衡，并沒有在特定散熱區域增加血流的情況，這可能是因為這種恐龍的體型僅跟山羊差不多大，因此沒有迫切的散熱需要 [1] 。而體型碩大的甲龍類和蜥腳類恐龍就存在血流在特定區域增多的趨勢。

 

在體型大如坦克的甲龍類包頭龍的頭部骨骼中，就發現了血流增加的區域集中在鼻腔的位置；而在梁龍( Diplodocus )及圓頂龍( Camarasaurus )等體型超過重型卡車的蜥腳類恐龍中，動輒數十米的身軀和數十噸的體重，則需要更多的散熱方式，因此它們除了鼻孔外，口腔也是血流加強的主要區域 [1] 。文章作者的波特更在采訪中表示，“ 在恐龍時代，氣喘吁吁的蜥腳類恐龍可能是個常見的光景 ! [2] ”

 

(為了散熱，梁龍可能要經常嘆息 | witmerlab)

 

  

我一開口就“涼”了!

  

 

說到恐龍時代，自然不能少了眾多著名的肉食恐龍，例如霸王龍，它的體長達12米，體重也有10多噸，肯定夠格稱為巨型恐龍了。但奇怪的是，對霸王龍以及同為巨型肉食恐龍的瑪君龍( Majungasaurus )頭部的血管居然和小型恐龍一樣，沒有特別集中散熱的區域 [1,2] ，那它們究竟是怎樣防止熱休克的呢?

 

其實這類大型獸腳類恐龍還有另一個秘密武器，就是它們吻部有著巨大的眶前孔(在眼眶之前，鼻孔之后的一個大孔)，里面有著發達的氣竇。在過去的研究已經證明，這個氣竇有豐富的血管通過 [6,7] ，因此這也是個幫頭腦降溫的強大管道。也就是說，每當獸腳類恐龍一張金口后，這個區域就像個風箱一樣讓氣流循環通過，讓流經此處的豐富血流網絡得以降溫。

 

(右上角異特龍(Allosaurus)的嘴巴張合時，可以看到氣竇的鼓動。許多肉食獸腳類恐龍都有明顯的氣竇，如左方的霸王龍和右下方的瑪君龍，這個氣竇可以幫助這些殘暴的恐龍降降溫 | witmerlab)

 

總結來說，不同類群的大型恐龍都有不同的策略來降溫，例如甲龍類利用鼻腔、蜥腳類除了鼻腔外還喘大氣、而獸腳類恐龍則利用鼓動的氣囊來防止腦袋燒壞。作者也提到，未來希望可以擴大研究領域，研究下鴨嘴龍或三角龍等其他類群的大型恐龍 [2] 。

 

另外，研究者們還提供了在線的一個大型恐龍頭顱內部結構的3D模型，感興趣的朋友可以登錄相關網站（https://sketchfab.com/3d-models/dinosaur-vascular-anatomy-thermal-physiology-ce6163daf99c4947956386049416fe67），親自鉆進恐龍的腦袋里，探究它們不被燒壞的秘密。

 

 

作者名片

 

排版：凝音

題圖來源：侏羅紀公園

參考文獻：

[1] Porter WR, Sedlmayr JC, Witmer LM. 2019. Vascular patterns in the heads of crocodilians: Blood vessels and sites of thermal exchange. Anat Rec 229(6). DOI: 10.1111/joa.12539

[2] ATHENS, Ohio (Oct. 16, 2019). New study shows huge dinosaurs evolved different cooling systems to combat heat stroke. OHIO UNIVERSITY. (https://www.eurekalert.org/emb_releases/2019-10/ou-nss101019.php)

[3] Bourke JB, Porter WR, Ridgely RM, Lyson TL, Schachner ER, Bell PR, Witmer LM. 2014. Breathing life into dinosaurs: tackling challenges of soft-tissue restoration and nasal airflow in extinct species. Anat Rec 297:2148–2186.

[4] Bourke JM, Porter WR, Witmer LM. 2018. Convoluted nasal passages function as efficient heat exchangers in ankylosaurs (Dinosauria: Ornithischia: Thyreophora). PLoS ONE 13(12):e0207381.

[5] Holliday, C. M., Porter, W. R., Vliet, K. A. and Witmer, L. M. (2019), The Frontoparietal Fossa and Dorsotemporal Fenestra of Archosaurs and Their Significance for Interpretations of Vascular and Muscular Anatomy in Dinosaurs. Anat Rec. doi:10.1002/ar.24218

[6] Witmer LM. 1997. The evolution of the antorbital cavity of archosaurs: a study in soft-tissue reconstruction in the fossil record with an analysis of the function of pneumaticity. J Vert Paleontol 17 (Suppl. 1):1–76.

[7] Sedlmayr JC. 2002. Anatomy, evolution, and functional significance of cephalic vasculature in Archosauria. (PhD Dissertation). Athens, OH: Ohio University.

中生代那么熱，大恐龍為啥沒把腦子燒壞？

圖文簡介

“胖子怕熱”雖然是日常調侃人的一句話，但對某些大塊頭的生物來說，這可真不是鬧著玩的。