關(guān)注恐龍研究的朋友們可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，近年來很多恐龍研究論文，都會(huì)在文章中展示一些色彩斑斕的“顯微照片”。我們都知道，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？ 

最近報(bào)道的一個(gè)小型暴龍，兩個(gè)阿爾瓦雷斯龍類，兩篇關(guān)于中生代鳥類髓質(zhì)骨和蛋的相關(guān)研究論文，都進(jìn)行了長(zhǎng)骨的骨組織學(xué)研究（圖片來源：Zanno et al., 2019; Xu et al., 2018; O’Connor et al., 2018; Bailleul et al., 2019）。

 

這種研究就是骨組織學(xué)。骨組織學(xué)是發(fā)源于現(xiàn)生動(dòng)物研究的一種研究方法，簡(jiǎn)單來說，就是研究者采用切磨片或者其他方法，觀察動(dòng)物骨骼的組織結(jié)構(gòu)。和傳統(tǒng)的形態(tài)學(xué)描述不同，骨組織學(xué)研究更加細(xì)微，研究的結(jié)構(gòu)往往是微米量級(jí)的。

 

骨組織學(xué)能解決很多傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)不能解決的問題，其中之一就是化石的年齡問題。

 

切開大腿 看年齡！

 

研究這些細(xì)微的結(jié)構(gòu)，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(duì)年齡和絕對(duì)年齡。

 

1. 相對(duì)年齡

 

相對(duì)年齡，用人類自身來舉例子，“兒童”、“中年人”、“長(zhǎng)者”等都可以用來描述一個(gè)人的年齡。在恐龍的研究中，我們用的是類似詞語，稱之為不同“個(gè)體發(fā)育階段”，來描述相對(duì)年齡大小不同的恐龍個(gè)體。比較常用的，包括“胚胎期”、“嬰兒期”、“幼年期”、“亞成期”和“成熟期”等。

 

怎樣得到恐龍的相對(duì)年齡呢？

 

首先，可以通過對(duì)恐龍化石本身的觀察來判斷。動(dòng)物的個(gè)體發(fā)育過程，會(huì)在骨頭之間、骨頭表面留下痕跡。隨著恐龍逐漸成年，它們部分骨骼之間會(huì)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(fā)育早期的特征，也可以作為指示恐龍相對(duì)年齡的證據(jù)。

 

趙氏敖閏龍 Aorun zhaoi的骨骼表面有縱向的樹皮狀紋理，指示了幼年特征（圖片來源：Choiniere et al., 2014）

 

另外，判斷相對(duì)年齡還有更淺顯的方法。如果科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了很多很多的某種恐龍化石，它們有大有小，就可以基于種群的年齡分布，去推斷這些標(biāo)本大致處于什么年齡階段了。

 

2. 絕對(duì)年齡

 

相對(duì)年齡，實(shí)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(duì)年齡那么直觀，在后續(xù)研究上，也不如絕對(duì)年齡的數(shù)字用起來方便。

 

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

 

切大腿！

 

 

想必大家都在小學(xué)自然課本里面學(xué)過如何判斷一棵大樹的年齡，那就是鋸開樹干，計(jì)數(shù)年輪的數(shù)目。

 

樹木的年輪。有趣的是，化石骨骼當(dāng)中也有類似的結(jié)構(gòu)。

 

實(shí)際上，這種每年一次的生長(zhǎng)標(biāo)記，也廣泛存在于包括恐龍?jiān)趦?nèi)的爬行動(dòng)物當(dāng)中。如果我們把恐龍的長(zhǎng)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(huán)狀結(jié)構(gòu)，這被稱為“生長(zhǎng)標(biāo)記”，只需要計(jì)算有多少條“生長(zhǎng)標(biāo)記”就可以了。

 

雷克斯暴龍骨組織切片當(dāng)中的“生長(zhǎng)標(biāo)記”，這種標(biāo)記被稱為“生長(zhǎng)停滯線”。圖上標(biāo)的數(shù)字就是年齡。（圖片來源：Erickson et al., 2004）

 

當(dāng)然，恐龍的“生長(zhǎng)標(biāo)記”研究起來還是要比年輪復(fù)雜一點(diǎn)。其中一個(gè)非常嚴(yán)重的問題就是，骨骼當(dāng)中有中空的髓腔（骨髓腔，就是長(zhǎng)骨中間的空腔，“造血干細(xì)胞”就生活在骨髓腔里面），髓腔擴(kuò)張不斷侵蝕骨骼，因此在骨骼內(nèi)側(cè)，先形成的骨質(zhì)就連帶著之前形成的“生長(zhǎng)標(biāo)記”一起被侵蝕掉了。這樣，我們切開大腿，看到的“生長(zhǎng)標(biāo)記”數(shù)目，一般要比恐龍的絕對(duì)年齡小。

 

為了解決這個(gè)問題，古生物學(xué)家們引入了數(shù)學(xué)手段，根據(jù)一些現(xiàn)生動(dòng)物的生長(zhǎng)模型，反推被骨髓腔侵蝕的“生長(zhǎng)標(biāo)記”數(shù)目。一般模型是一些成熟的函數(shù)曲線，我們一般稱之為恐龍的“生長(zhǎng)曲線”。這種方法不但可以推算恐龍的年齡，還可以根據(jù)年齡和相關(guān)體重?cái)?shù)據(jù)，計(jì)算恐龍的生長(zhǎng)速率（體重增量/時(shí)間=生長(zhǎng)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(zhǎng)大xx公斤”的研究來源。

 

結(jié)合“生長(zhǎng)標(biāo)記”的年齡信息，和體重估計(jì)信息，就可以得到恐龍的生長(zhǎng)曲線了。如圖是Erickson 構(gòu)建的關(guān)于幾種暴龍類恐龍的生長(zhǎng)曲線，由此可見雷克斯暴龍長(zhǎng)得比其他恐龍大的主要原因是快速生長(zhǎng)期長(zhǎng)得非�？�。

 

恐龍骨頭里的學(xué)問

 

骨組織學(xué)可以很好的幫助人類了解恐龍的壽命，但這種方法也有局限性。

 

恐龍化石材料非常珍貴，不是所有化石都可以進(jìn)行組織學(xué)研究。有些恐龍化石非常稀少，種內(nèi)只有一件，甚至不足一件標(biāo)本，這樣的化石，是很難進(jìn)行骨組織學(xué)研究的（畢竟是破壞性試驗(yàn)，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(jié)構(gòu)受到大規(guī)模改造，外形上看起來是恐龍的“形狀”，但是化石已經(jīng)失去了恐龍的“成分”，這樣的化石切開，就什么都看不到了。

 

有一些恐龍進(jìn)行了較多骨組織學(xué)研究，科學(xué)家對(duì)它們的了解也更加充分。最典型的例子，就是有名的雷克斯暴龍�？茖W(xué)家通過對(duì)雷克斯暴龍的骨組織學(xué)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(zhǎng)速度，解釋了“暴龍為什么這么大”這個(gè)令人感興趣的問題。

 

骨組織學(xué)不僅可以知道恐龍的年齡，還能反應(yīng)性別差異、生物力學(xué)功能等等問題，是學(xué)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(xué)研究，讓我們一探化石內(nèi)部的究竟。

 

本文出品自“科學(xué)大院”公眾號(hào)（kexuedayuan），轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明公眾號(hào)出處。

 

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（地一眼編輯：楊為先）

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