飞龙在天

尼安·奶爸

飞龙在天
dinosaur
发表于 2008-12-23 23:09

                               
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它们是最早飞上天空的脊椎动物。它们也是地球上曾经飞行过的最大的动物。然而，翼龙的奇妙远不止于此，它们还有太多奥妙等着人类解开。翼龙曾经演化出各种奇妙的外形，看一眼就让人浮想联翩，其中让人印象最深的是它们的脊冠。关于翼龙的脑袋上奇特脊冠的作用，古生物学者做过很多研究，目前有很多假说，比如充当飞行的方向舵、气动补偿、减速板，炫耀展示，调节体温和性成熟标志等等。
而最近中国古生物学家和航空科学家联合进行的一次研究终于以具体的物理模型证明了头冠的一个可能的用途———在飞行中起到风帆的作用。长着这种“风帆”的是一种名叫“KJ”的夜翼龙。它长着即使在翼龙家族中也略嫌变态的巨大头冠，它的形状很像“奔驰”汽车的“三叉星”标志，长度甚至超过翅膀。
之前人们一直不知道这种“累赘”是干什么用的，而中国科学家的研究证明，它不但不是累赘，反而是乘风而行的利器！
那么，夜翼龙是何方神圣，它又是如何乘风而行的呢？下面，我们就和研究者一起，在想像中展开“头帆疾行之旅”，并让KJ作为使者，带领我们一起进入奇妙的翼龙世界！
翼龙：中生代天空的霸主
最新的研究揭示了KJ翼龙可能在头上长着风帆一样的结构，可以借助风力飞行，这其实只是揭示了奇妙的翼龙世界的冰山一角。下面，我们就和KJ翼龙的研究者之一、古生物学家邢立达一起，辨析一下关于翼龙的几个错误观点。

                               
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翼龙中个头最大的风神翼龙，身高与长颈鹿相仿佛
错误1 “翼龙也是一种恐龙”
很多人说起恐龙，都会说“恐龙占据了侏罗纪、白垩纪的陆地、海洋和天空”。这种说法把几类不同的动物混为一谈了。当时占据天空的是翼龙，它并不属于恐龙。
翼龙目（Pterosauria）属于爬行纲的初龙亚纲（Archosauria），恐龙类和鳄类也属于初龙亚纲。也就是说，翼龙和恐龙是“同门兄弟”，但并不属于一类。恐龙有着垂直于身躯的腿，而翼龙的四肢都只能向两边分开一定角度。邢立达说，翼龙繁盛于中生代侏罗纪（2.08亿年前至1.44亿年前）和白垩纪（1.44亿年前至6500万年前）。它在生物进化史上占据着显赫的地位，是地球上最早飞上天空的爬行动物，也是地球上最早飞上天空的脊椎动物。它还占据着一项记录：有史以来飞上天空的最大动物，比如风神翼龙的翼展达到12米，和2架F-16战斗机相当。
最初研究古老翼手龙的人是意大利自然学家科利尼（Cosimo Collini）。1784年，他带领考察队来自然资源极为丰富的巴伐利亚考察，并在索伦霍芬发现了已知的第一块翼龙化石。索伦霍芬？对了，就是发现始祖鸟的古生物圣地索伦霍芬。
科利尼对着这块前所未见的化石纳闷许久，因为化石上居然有类似翅膀的构造，而且骨骼是中空的，上下颌又细又长。它的样子虽然像鸟，但身上没有羽毛，而且嘴里还长着牙齿。所以科利尼认为肯定是一个全新的物种。他迅速地对该物种做了研究，并发表论文，科利尼认为这种动物是一种分类未明的可能营两栖生活的海生动物。当时，另一位古生物学家瓦格勒也据此把翼龙复原成一种会划水游泳的动物。
直到17年后，伟大的比较解剖学和动物分类学家，任职于巴黎自然历史博物馆的居维叶男爵（Georges Cuvier）推论该标本属于爬行动物中一个全新的类型———会飞的爬行动物，那根第四指是用来飞行的，而不是划水。后来，居维叶用希腊语中表示翅膀与手指的字母结合起来，将这块化石命名为翼手龙（Pterodactylus），种名“古老”（antiquus）。至此，人们终于意识到在爬行动物征服陆地后，它的一个分支竟能克服地心引力飞向了天空，比鸟类早了约7000万年。

                               
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翼龙、蝙蝠、鸟翅膀结构图
错误2 “翼龙飞行能力很差”
开始时，人们认为翼龙的飞行能力相当差。但，最新的研究表明，翼龙不仅能像鸟类一样飞翔，还可能是飞行能手。
美国俄亥俄大学的研究人员依据化石建立了翼龙大脑的三维图像。图像显示，翼龙的小脑叶片质量占脑质量的7.5%。与之相比，擅长飞行的鸟类的小脑叶片也只占其脑质量的1%到2%。
最大的翼龙是风神翼龙，翼展有12米长，而最小的则如同麻雀。它们适应了各种生境，占据着中生代的天空。
邢立达说，曾发现早期和晚期的翼龙身上长着毛。这种毛具保暖作用，也暗示翼龙可能是温血动物。因为冷血动物需要晒阳光以获得热量，但毛会阻止身体变热。
研究者认为，翼龙已具有内热和体温恒定的机制，发达的神经系统及高效率的循环、呼吸系统，成为最不像爬行动物的爬行动物。

                               
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除了夜翼龙外，这种古神翼龙的头冠也很可观
错误3 “翼龙翼膜很容易破损”
翼龙最奇特之处，就是加长第四指后变成一个翅膀，翅膀连接翼膜，第四指支撑它这个翼膜进行飞翔，就像风筝的竹子骨一样。“这种单指成翅膀在其他爬行动物中是绝无仅有的。”邢立达说，“我们叫它‘翼指’”。这些骨骼都非常薄，几乎与纸一样薄的管状骨既轻巧又能承受住最大的压力，有些骨骼甚至充满了空气。像妖精翼龙（Tupuxuara）翼展达6米，在中空的翼指内还有纤细的支架支撑，能强化翅膀的力量，却只增加少许重量。
遥想现代的蝙蝠，这种在翼膜构造与翼龙相当类似的哺乳类，它在生活中，有时候会遇到翼膜被强风或敌人撕裂，被植物的刺穿孔等灾难，但由于蝙蝠的翼膜有五根指骨镶嵌其中，破损就仅限于两根手指间的翼膜，不会横向扩张。在动物学家的记录里，曾经有破翼膜的蝙蝠坚持飞回巢穴的记录，静养之后破损还会慢慢愈合。但对翼龙来说，情况就截然相反了，由于它的翼膜中没有骨能支撑，一旦某一部分受到撕裂，这可能横向破裂，破坏整个翼膜！这对翼龙来说绝对是致命的。
可是翼龙盘踞蓝天达1.5亿年之久，会如此易损？1993年，我们又有了新的发现：翼龙的翼膜中可能存在密集硬纤维，这能增加其横向抗损害能力，并且让其破损处仅限于轴向平行于纤维和翼的远端部的前线之间，就是一个类似蝙蝠翼膜的创伤。更进一步的研究则表明，翼膜其实是由上述的纤维加上肌肉，血管和感觉神经组成的一个分层结构，该结构形成一个弯曲的表面。这曲面的曲率刚好能使翼龙在飞行时遇到强风能避免翻滚或撕破翅膀。
有了机翼与蒙皮的翼龙最后还带有一个像飞机尾翼般的稳定器，翼龙目中比较原始的喙嘴龙类的翼龙部分有长长的尾巴，而比较晚出现的翼手龙类则几乎没有。开始时，有人认为喙嘴龙身后的尾巴起到“尾舵”的作用，但有物理学家对鬼魂翼龙（Sordes）的复原模型做了研究，发现在空气动力学角度看这种形式尾舵与翅膀的不对称运动的关系很小，如果不停摆动的尾部反而会导致失去平衡。所以长尾巴的作用很可能就像风筝的长尾，在风的阻力作用下被拉直，起到稳定飞行方向的作用。
翼龙也能扬“帆”远航
有一种叫“夜翼龙KJ”的翼龙，它的头上长着高耸的脊冠，这个脊冠非常变态，甚至比它的身体还长。关于这个头冠的作用，古生物学一直有争论。12月 15日，中国古生物学者与航空专家联手，揭示了这个脊冠可能的用途：它上面可能长着皮膜，在飞行中可以起到帆的作用！近日出版的《地质学报》英文版 2009年第1期上撰文介绍了这个研究成果，下面我们就和研究者一起，看一看夜翼龙KJ乘风而行的精彩世界。

                               
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不过，如果真的有帆（左图），或许能提高它们的飞行能力
“三叉星”提出谜题
中国地质科学院地质研究所翼龙专家吕君昌博士介绍，翼龙是恐龙的近亲，是最早飞向蓝天的脊椎动物，有时也被误认为是“会飞的恐龙”。翼龙最突出的特征是其前肢上极度加长的第四指。该指由长而粗的三四个指节组成，附着有一张大大的膜，而成为飞行的翅膀。而一些翼龙的脑袋上长有非常奇特的脊冠。对这些脊冠的作用，古生物学者做过很多研究，目前有着很多假说，比如充当飞行的方向舵、气动补偿、减速板，炫耀展示，调节体温和性成熟标志等等。不过，这些假说多数停留在理论阶段，并未做具体的空气动力学分析。
有脊冠也就罢了，但是有些翼龙的脊冠也太离谱了。夜翼龙（Nyctosaurus）就长有夸张的头饰。2003年，翼龙专家、美国海斯堡州立大学教授班尼特（S.C. Bennett）发表了一种发现于美国堪萨斯州的夜翼龙化石：KJ。他认为，“KJ”活着的时候翼展约3米，能够翱翔在白垩纪晚期的海上。它们都有个极长的骨质脊冠，标本KJ1号，其头骨及脊冠高达70厘米。标本KJ2号更是高达90厘米，脊冠的长度已经与它的翅膀差不多长。
长还不算，KJ的头冠上还长着一个分叉，从侧面看上去就像一个“三叉星”，又有些像“奔驰”的商标。“KJ标本是夜翼龙中非常著名，且最为‘诡异’的成员，在最近热播的记录片《史前公园》中还频频现身。”邢立达说。
不论这个“三叉星”能起到什么作用，但是有一点是肯定的，如果它只是一个光秃秃的“三叉星”，那么在飞行中会造成非常大的负作用，阻力大不说，而且还会产生很大的力矩，让翼龙的脖子偏向一边。那么，为什么夜翼龙KJ要长出这么一个累赘的东西呢？研究者灵机一动：“三叉星”是不是能在飞行中派大用场呢？

                               
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曾经在中央台播放的纪录片《史前公园》里，夜翼龙也露了一小脸
电脑技术重建标本
邢立达解释说：“三叉星代表着‘奔驰’公司征服陆海空的愿望，或许KJ也心存此愿。KJ如此巨大的帆状脊冠，是不是可以支撑起一张连接有软组织的帆，可以使它很好的飞行呢？”
确实，皮膜是爬行类动物经常会长出来的一种东西，比如现生的飞蜥就在肋骨间长有皮膜，KJ的“三叉星”上生有皮膜也是完全可能的。如果上面真的长出皮膜，会对它的飞行造成什么影响呢？真的可以让它像帆船那样乘风而行吗？
为解决这个问题，2007年初，在中国地科院地质所研究员季强和美国班尼特教授的支持下，邢立达与吴江浩等学者利用夜翼龙KJ新标本，从飞行力学、空气动力学的角度来讨论翼龙类发育夸张脊冠的功用。而与邢立达团队同时进行研究的还有美国斯坦福大学和美国国家地理翼龙重建项目的强大团队，而我方团队也得益于来自中国科技部973项目、中国地质调查局、中航传媒集团的有力支持。
北京航空航天大学的吴江浩副教授在昆虫飞行研究上有着深厚的造诣，此次合作研究中，邢立达与吴江浩首先运用3D技术，重建了夜翼龙KJ1标本，假设其脊冠附着有膜，我们称之为头帆。在低速空气动力学的范畴下，学者对该复原状态可能具有的力学特性进行了分析。

                               
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从KJ1的化石上可以清晰地看到那个形态异常的头冠
头上帆乘风而飞
参与KJ翼龙“头帆”研究的北京航空航天大学研究生卢艺主修飞行器控制。他协助吴江浩副教授对“有皮膜”的KJ在空中的受力情况有着深入的分析。卢艺说，翼龙飞行的方式很像帆船“侧风航行”。很多人都以为帆船能“逆风航行”，其实不是的。在帆船航行的时候，当风从前方一定角度吹来的时候，它会给帆两个分力，一个分力会推动船向船头方向行进，另一个分力把船往侧面推。但是，因为船身侧面受到水的阻力非常大，所以船主要会向船头方向行驶。如果面临完全的逆风，帆船也是无法前进的。
KJ翼龙可能也是一样。在空中，迎面吹来的风一方面给翼龙的翅膀提供升力，另一方面也给它一个向“前”飞行的力。
卢艺说，在利用侧风在空中飞行时，KJ会把身体偏转一个角度，也就是保持一个翅膀高，一个翅膀低的状态，这样它的侧面阻力就会增大，抵消由风造成的侧向力。
和帆船不一样，KJ不喜欢从后面吹来的风。因为风从后面吹来的话，它的翅膀也就失却升力了。卢艺说，在顺风的情况下KJ会把头调整到和风向一致，这样“帆”就不产生力了，它还可以用扑翼的方式产生向前的动力和升力，这和一般的鸟类飞行是一样的。

                               
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在一些复原图中，夜翼龙的头冠上并没有帆
特殊环境才能造就
我们就可以大概想象一下“有头帆”的KJ的生活场景：它迎着斜面方吹来的风，侧着身子飞行，不但翅膀一高一低，而且飞行的方向和头的方向也呈一定角度。这么飞不晕吗？邢立达说，翼龙类有非常发达的半规管，身体平衡能力很强，所以这根本不在话下。很多鸟类的飞行姿态比这还要复杂，也没有什么问题。为调整飞行方向，KJ需要在风中转头，脖子就需要承受很大的力。邢立达说，有证据表明翼龙类的头骨和脊冠很轻，对脖子的压力不如想象的那么大；同时它也可能具有很强的颈部肌肉群。
卢艺说，KJ很可能会利用海峡上方固定方向的风进行“通勤飞行”，来回的路线都是一定的。因此，它长出帆一样的结构就会具有很强的生存优势。但如果地形情况复杂，风向很乱的话，这种结构确实会起到添乱的作用。邢立达说，在KJ生存的白垩纪晚期，生物的生存环境非常恶劣，地球上出现了很多“怪物”，所以为了得到一点点生存优势，KJ进化出“帆”也并非不可能。
在现存会飞的生物中，没有一种身上长着“帆”，为什么KJ会独占此奇巧？吴江浩表示，他们并非认定KJ一定长有帆。KJ长有很大的脊冠，而大脊冠上可能长有皮膜，随后他们进行了气动力学研究，证明了长脊冠上长有皮膜的KJ可以借助风力飞行。为了证明这一点，研究者们制作了电脑3D力学模型。“我们还对比了有头帆的脊冠、无头帆的脊冠和无脊冠三种模型的气动特性。结论表明，没有头帆的脊冠的推力和力矩特性要比有头帆的脊冠弱很多，而无脊冠的推力和力矩特性则不存在。所以，我们这个基于空气动力学的分析得到的结论是，夜翼龙KJ的脊冠很可能附着有膜，它可以利用这一结构的气动特点辅助飞行。”邢立达介绍道。
对此研究古生物专家季强研究员表示：“这是中国第一次运用气动力学来研究翼龙，而且是中国首次将古生物学与航空学科交叉，具有重要的意义。”邢立达表示，现在他们还只是做了电脑仿真研究，下一步将制作实体模型，在风洞中进行吹风实验。
关于翼龙的快速问答
问：翼龙吃什么？
答：翼龙的食性很广，有吃鱼的，有吃果实的，有人认为还有吃大恐龙身上的寄生虫的，吃腐肉。
问：翼龙会游泳吗？
答：关于翼龙会不会游泳的问题一直存在争论，曾经发现过后肢上有蹼的翼龙化石，有人认为它会像鸭子一样游泳。
问：翼龙是卵生还是胎生的？
答：曾经发现过翼龙卵化石，它应当是卵生的。
问：有不会飞的鸟，那么有不会飞的翼龙吗？
答：有人曾经提出过晚期出现过飞行能力退化的翼龙，不过没有证据。
问：翼龙是怎么起飞的？
答：大型的翼龙可能是从高处往下跳，而中小型的翼龙应当可以自主起飞。
问：翼龙是怎么灭绝的？
答：现在还没有线索证明翼龙灭绝的原因。有人提出理论，说晚期的翼龙高度特化，而随着全球气候变化，这些翼龙因为不适应环境而灭绝。
本专题采写：光猪，刘铮。感谢：卢艺（北京航空航天大学 研究生）

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