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【基礎科研】【戰略】恐龍的起源

2018-10-23 15:48:00

原文网址:https://blog.udn.com/MengyuanWang/118448301



一般人在少年期,對恐龍會有或多或少的興趣。但是像我這一代人,在40年前的那個人生階段,如果問起恐龍的起源,是無法得到確切解答的。當時的科普文章對這件事支支吾吾、語焉不詳,倒不是因爲在互聯網出現之前,沒有人願意傳播這種知識,而是因爲當時的古生物學界真的不知道答案。

那時的理解,是在Triassic Period(三叠紀,251.9 - 201.3Mya)開始不久,最早的恐龍(嚴格來説,是Proto-Dinosaur)就演化出來,但是遠遠不是陸上大型動物(Major Terrestrial Fauna)中的主角;最大和最普遍的的草食動物和肉食動物,都是更“原始”的爬蟲類(Reptiles),或是哺乳類的先祖(Proto-mammals)。可是在三叠紀結束之前,恐龍早已成爲地球陸地的王者。

這樣的敘事,對接觸過古生物學的人來説,是很奇怪的。演化的過程,並不是持續的緩慢演進,而是在長期的穩定之後,會突然發生短暫的巨變。這是因爲,基因的突變固然是隨時間慢慢持續纍積,但是如果環境的變動緩慢,那麽每一個生態界的活動角色(Ecological Niche)都很難換手,既有的角色占有者早已為其優化,不容許新的競爭者進入。所以這些基因突變一般就只能在次要的、隱藏的功能上做小小的改進,像是外形反而不動如山。只有在地球環境本身有了突然的改變,空出了活動角色的空間(Niche),後續的基因突變才有動力推動外形的變化,以占領新的生活空間。

自從多細胞生物在地球上擴展開來,並開始留下化石之後,在生態史上有過6次最大規模的物種滅絕(第6次是人類造成的,正在進行之中)。而古生物/地質學(地質學關心環境變化對地殼岩石的影響,古生物學則研究環境變化對古生物的影響;地質學可以追溯更早遠,所以這些定義其實來自地質學)所說的“紀”(“Period”)或者“代”(“Era”,比紀高一級,每個代含3-6個紀)的邊界一般就對應這這些大滅絕事件。例如三叠紀的起源是Permian-Triassic(P-T) Extinction Event(二叠紀-三叠紀滅絕事件),又叫做Great Dying(大死亡),因爲它是物種滅絕最徹底的一次,96%的海洋物種和75%的陸上物種滅絕了,並且因而推翻了原本陸上的霸主:兩棲類。三叠紀的結束,則是Triassic-Jurassic Extinction Event(三叠紀-侏羅紀滅絕事件),同樣名列6大滅絕事件之一。

現在讀者可以理解前述的謎題:新一類的生物大規模取代原始物種,應該是在一個紀剛開始的階段,那麽恐龍取代爬蟲類和哺乳類,爲什麽是反其道而行呢?這個問題的答案,一直到最近20年,隨著一系列新的研究結果,才逐漸揭曉。

首先,環境的改變,來源可以有很多種,例如隕石撞地、火山爆發、新生物功能的演化(例如葉綠素的演化,為大氣層帶來氧氣)、大型露天煤床的燃燒、板塊漂移等等。它們的影響,有大有小,並不是只有超大型一級。所以地質學在Era之上,還有Eon(宙);而在每一個Period之下,又分Epoch(世);Epoch之下,還分了Age(期)。但是請注意,定義這些世代的,是地質學家,他們根據的是岩石結構的變化和主要化石(Index Fossil)的出現頻率。這些世代通常和古生物的演化過程有很好的對應,但是也有例外。

如果恐龍的崛起,發生在兩個Epoch的交界處,古生物學界或許早就有結論了。如果是發生在兩個Age交界處,大概也不會拖到21世紀才搞清楚。偏偏它是前述的,地質世代不對應著古生物演化節奏的最重要例子。

這個在地殼岩石裏沒有留下很大痕跡,卻對古生物有極大影響的氣候變化,叫做Carnian Pluvial Event(CPE,Carnian期多雨事件)。Carnian期是三叠紀中7個期的第五個,對應著237-227Mya(Million Years Ago,百萬年前)。CPE發生在230Mya前後,持續了大約200萬年。

顧名思義,CPE指的是降雨量的大幅增加,在很多地方高達三倍。三叠紀本身是地球歷史上最乾燥的時期之一;這是因爲當時所有的陸地板塊剛好都撞到一起,形成一個超級大洲,叫做Pangaea(盤古大陸)。雨雲一般不能深入幾千公里的内陸,所以除了海岸綫附近之外,當時的生態環境以沙漠和乾燥草原爲主(我説“草原”,但是其實青草還沒有演化出來,這裏指的是占據同一個Niche的原始植物)。Pangaea的分裂,是一個緩慢逐漸的過程,和CPE沒有決定性的關係。

目前的猜測,是當時因爲地質(剛好同時,阿拉斯加有火山運動)原因,有了大量的二氧化碳排放,經過嚴重的全球暖化之後,大氣包容水汽的能力也大幅增加,使得雨雲能深入内陸。

我以前曾經提過,恐龍的生理機制,比起哺乳類和爬蟲類有幾個優勢。其中之一是它們的呼吸系統不是死巷子,而是一個圓環,效率很高。但是CPE並沒有減低大氣的含氧量,所以這不像是恐龍崛起的決定因素。另一個優勢是它們蛋白質代謝的最終產物,毒性較低,不需要大量的水來稀釋成爲尿。這應該在乾燥環境下很重要;CPE是短暫(從地質學的觀點來看)的多雨期,或許其他動物在適應了潮濕環境後,一旦CPE結束,就由奢入儉難。

但是還有另一個可能,CPE期間的雨量,容許新的、更高的植物(不是現代意義的樹木)演化出來;恐龍的體内有氣囊,所以單位重量密度低,强度卻沒有下降,容易長大長高(這也是爲什麽後世的恐龍能演化到比大象大得多的程度),所以可以很快適應新食物,獨占新的生存空間。恐龍對食物的分解,除了牙齒之外,還應用胃石(Gastrolith)來研磨,效率高,吸收比率好,也是另一個小小的優勢。

不論細節爲何,CPE在短短的200萬年裏,先是變得很潮濕,然後又變囘乾燥,强迫著所有的陸上大型動物做出兩次同步起跑點的公平新競賽,也就給予了恐龍崛起的極佳機遇。恐龍從CPE之前佔陸上大型動物的5%,一下上升到其後的90%。它的霸主地位,延續過了前面提到的三叠紀-侏羅紀滅絕事件,一直到66Mya的Cretaceous-Teriary (K-T)Extinction Event(白堊紀-第三紀滅絕事件),才讓位給哺乳類。

古生物學,算是一個很純的科學,也就是說,它基本沒有經濟上的實用價值。本文前面的討論,似乎有關於全球暖化的效應,可以用來借鏡,但是實際上古氣候學是獨立於古生物學的。這裏是後者應用前者的結論,並不能代表後者有了什麽應用。而且當前全球暖化的速度,比CPE高1000倍左右,所需的研究精度也相對更高,原本就有其他更可靠、更精確的研究手段(例如計算機模擬),不能說古氣候學有什麽重要的應用價值。然而我仍然喜歡研究瞭解這些議題,因爲它們擴展我的視野、提升我的思考層次。我在前文《漫談兩個假説(一)》裏面曾經提到,從人類整體的觀點來看,純科學是滿足求真的自然欲望;但是從個人的角度來看,對純科學的涉獵,其意義就在於擴展視野和提升思考層次。希望我的科普系列文章,對讀者也有這方面的幫助。

【後註一】我想了想,覺得本文的引申意義,還是寫得太隱晦了,應該點明比較好。如果讀者在第一次閲讀的時候,沒有想到下面所提的對比(亦即生態空間=國際地位,所以兩棲類=英國,爬蟲類=美國,恐龍=中國;當然這並不代表大型動物=大型國家,或者黃色動物=黃種人國家),我建議你重讀全文一次。

我說“擴展視野和提升思考層次”,就是要瞭解這個引申的類比,尤其是文中的第三段,有關既有生態地位,一般是相對穩定的,沒有背景環境變化的助力,就不容易被取代;這個論述對當前的國際情勢,也是完全適用的。中國如果不先想清楚自己崛起要靠的CPE在哪裏,以爲美國自然會像英國一樣和平讓位,就完全忽略了一戰和二戰那種歷史性的外來環境因素,理所當然是會被打臉的。

【後註二】我想補充一下細節,詳細解釋爲什麽地質學家在制定三叠紀的7個期的時候,沒有注意到CPE。

地質學家分隔地質歷史的朝代所用的根據,是最方便、最常見的證據,所以一般是某一個紀裏最普通的化石,叫做Index Fossil。三叠紀的Index Fossil是Conodonts,這是一種原始魚類,有許多物種,對應著不同的時期,而且很容易分辨。

CPE的問題,在於它主要影響Pangaea的内陸,對海裏的Conodonts生態沒有什麽波及,所以就被上一代的地質學家忽視了。

【後註三,2023/04/14】我在多年前曾提到植物因爲無法依靠行動來趨利避害,所以比動物更重視基因的變種彈性(參見《表亲与Cousins》的留言欄);所謂的Polyploidy(多倍體,亦即多出備份的染色體)反映的正是這個演化壓力。雖然這個邏輯推論原本是我自己私下的猜測,但後來發現學術界早有同樣的理解,而且用心去驗證這個假説的細節了。這篇由華裔學人在2019年發表的論文(參見《Genetic Contribution of Paleopolyploidy to Adaptive Evolution in Angiosperms》)發現66Ma的End Cretaceous大滅絕事件,的確引發了多倍體的暴增;值得對演化生物學有興趣的讀者參考。

7 条留言

mgs
2018-10-25 15:21
你如果用计算机模拟进化,把种群每一代的平均适应度画出来,你会发现适应度曲线并不是平缓的,而是有一些地方会突然跳跃。这里环境一直没有变化,只是纯粹的概率问题,少数非常有利的新策略偶然诞生了而已。

就像科技创新导致世界排名靠前的公司不断变化一样。

弱者要战胜强者要么就营造更自由的环境,让创新更有可能出现在自己这边。要么就好好学习老老实实积累等待强者犯错。

自己不改革还各种倒退,想着让其他人倒霉好让自己上位的存量思维,实在令人作呕

你該不會是聯想的員工吧?
2018-10-25 22:47 回复
南山臥蟲
2018-10-26 11:23
呵呵, 與王兄有差不多的童年求知經驗.

古生物學和古氣象學, 就實用和經濟而言, 不妨視為未來(不會太久)外星拓展/移民的技術儲備--即使是電腦模擬,也有了堅實的數據基礎。

中國人多地狹(可用地),資源緊拙,外太空動力科技的基礎和應用都很扎實,將來應大有可為。

外太空開發,最終還是必須有經濟效益,所以必然是由AI和機器人來進行。

科幻小説的情節很浪漫,我小時候很愛看,但是後來懂經濟之後,就知道它完全不切實際。
2018-10-26 11:43 回复
南山臥蟲
2018-10-26 14:41
外星拓展的經濟效益問題,很有興趣聽聽王兄的高見,而且可以為此寶地增加點擊率(絕對吸睛呀,三體話體在大陸很盛行),有暇時可以另闢一欄專門談談呀--太巧了,五分鐘前,我剛看完盜版的星戰外傳韓索羅,臨完場居然見到達斯魔復活了,我想是截體培育吧,反正,加上原力,沒甚麼是不可以做的。

其實還有些想法,但先看了王兄的回覆(若有興趣)再寫吧。

如果我在腦海中醖釀一陣之後,覺得有足夠的材料寫一篇正文,那麽自然是一個合適的題材。

不過我先在這裏透露結局:大部分常見的猜想,都是過度的吹噓。
2018-10-27 04:33 回复
AbzX5
2021-06-25 17:14
重读此文, 惊出一身冷汗. 辛亏王先生高瞻远瞩, 用语委婉, 希望好莱坞电影人千万不要读懂此文, 否则他们若是拍一部三流阴谋科幻片, 将当下正在发生的事影射为故意为之的CPE, 后果不堪设想. 请王先生读完此次留言后速速删除本留言.
Taizi Huang
2023-04-15 12:05
王先生,后注三的source是《表亲与cousins》(https://blog.udn.com/MengyuanWang/108908819)

很好,再次感謝。你所做的整理,特別方便搜索,很有幫助。
2023-04-29 02:02 回复
Taizi Huang
2023-04-29 02:40
谢谢您的肯定。博客镜像近期还更新了“最新访谈”栏目,汇总您在八方论谈和龙行天下的采访,方便大陆读者收听节目。该页面可听,可读,可编辑,所以欢迎有时间和能用Google Docs的读者帮忙一起编辑采访的文字稿,为传播做一些贡献。

九年下來,寫得很多很雜,自己都懶得整理出書,多虧有你的努力,至少有了搜索功能,方便大家復習。
2023-04-29 22:40 回复
Taizi Huang
2023-04-30 00:29
我想下一个努力的方向就是给博客的9700余条问答加tag。大类的tag(如经济、金融、军事、基础科研、政策建议)可以由个人完成,细分条目则必须群策群力。以此为基础,汇总tag下面的文章和问答,可以形成更加清晰的事实基础和逻辑链,也方便从中挑选精华部分,编纂成书。这样形容,近似于制作一个wmyblog-pedia了。

我預先代表全體讀者向你以及其他的志願者致謝。
2023-05-01 03:49 回复
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