科学家发现“站得更直”如何让古代爬行动物变成巨人

人类旁边的恐鳄模型的全身重建。图片来源：uux.cn/Takashi Oda

（神秘的地球uux.cn）据今日科学新闻：早在恐龙轰鸣般地穿越史前洪泛区之前，鳄鱼、鸟类和其他祖龙的祖先就面临着一个问题，问题不是写在牙齿或爪子上，而是写在骨骼和肌肉的几何形状上。做大是危险的生意。质量增加快于力量。身体每增加一公斤，每个关节、肌腱和股骨的负荷都会成倍增加。对于寻求体型的古老爬行动物来说，进化的代价是机械应力：过度弯曲，身体就会在自己的野心下崩溃。

新的研究发现了一种在长时间内形成的简单、优雅的解决方案——站得更直。通过将四肢从蜥蜴般的扩张姿势旋转到更垂直的柱状姿势，早期主龙释放了进化成鳄鱼、恐龙、鸟类以及最终巨人所需的生物力学空间。

这项工作发表在《科学进展》上，是来自皇家兽医学院（伦敦）、中科院古脊椎动物和古人类学研究所（北京）和克莱姆森大学（南卡罗来纳州）的国际团队的成果。通过计算解剖学，他们不是用化石而是用物理学来倒带进化，提出了一个每个高耸的动物都必须默默解决的问题：骨头如何承受如此沉重的生命？

该团队选择了古代爬行动物谱系的活生生的代表——美洲短吻鳄——并将其身体视为生物力学实验室。他们使用由真实解剖数据驱动的计算机模拟，对处于不同生命阶段的鳄鱼的后肢进行了建模，从幼龟到几百公斤重的成年鳄鱼。

这种方法让他们做到了化石做不到的事情：观察同一具骨骼在生长、姿势和步态上承受重量。他们计算了肌肉纤维如何拉伤，股骨如何弯曲，关节力如何随着动物的成长而扩展。然后他们实际上要求这只动物再次行走——不是以正常的伸展方式行走，而是以更直立的臀部在身体下方的姿势。

这个模式就像一个解开的谜语一样显现出来。随着质量的增加，肌肉和骨骼上的力急剧增加。但是，当同样沉重的鳄鱼站立并以更垂直的肢体行走时，这些力量就会下降。身体成为自己的支架。柱子打败了支柱。

这正是早期主龙爆发出生态作用的生物力学优势，而蜥蜴等庞大的爬行动物从未达到过。姿势不仅改变了这些动物的移动方式。它改变了他们敢于变得多大。

为了测试这一原理是否超出了生物体的范围，该团队建立了 Deinosuchus riograndensis 的数字代理，这是一种白垩纪晚期的鳄鱼亲属，体型如此之大，是现代咸水鳄鱼的三倍。它重达三公吨以上，生活在鳄鱼形态的生物力学天花板附近。

模拟讲述了一个引人注目的故事。这种大小和形状的爬行动物可能无法将身体完全抬离地面。肌肉和骨骼无法安全地提供所需的力量。陆地移动将是一种缓慢的、拖着肚子的运输——而不是抬起的步行。在这里，进化触及了一个边界：在达到一定阈值后，姿势就不再足够了;身体对于自己的结构来说变得太重了。

这个界限有助于解释为什么类似鳄鱼的动物在体型上从未与蜥脚类恐龙相媲美。他们解决了等式的一部分——姿势——但不是全部。

RVC 的约翰·哈钦森 （John Hutchinson） 教授是该研究的资深作者，他用笼统的术语阐述了这一意义：灭绝的动物通常采用现代世界从未见过的解剖结构。物理学使我们能够测试这些灭绝的尸体能做什么和不能做什么，并将它们与活人进行比较。通过这样做，我们不仅将运动规则视为一种生物现象，而且将其视为一种物理必然性。

主要作者 Masaya Iijima 强调，这项研究是一个开始，而不是结束。随着现代模拟对活组织进行了验证，下一步是将化石（骨骼甚至脚印）带入相同的计算光中，以追踪整个进化时间的姿势和大小。

克莱姆森大学的理查德·布洛布 （Richard Blob） 将这项工作置于一个更广泛的进化框架中：尽管机械成本极高，但巨型天体在地球上一次又一次地进化。了解血统如何超越这些成本——以及它们在哪里碰壁——揭示了生命的面貌。

这项研究不仅仅是一个关于鳄鱼或死去已久的鳄鱼的故事。它证明了一个更深层次的原则：形式是与武力的谈判。每条进化路径都贯穿物理学。改变姿势，就是改写生物力学命运。改写生物力学就是打开进化空间。

祖龙继承地球并非偶然。他们站出来反对引力物理学——不仅是隐喻上的，而且是字面上的。他们的四肢伸直了，负荷减轻了，进化的可能性扩大了。在骨头的那个小枢轴上，世界的未来——从恐龙帝国到鸟类的翅膀拍打——在物理上成为可能。

我们所说的“生活”总是与在压力、压力和杠杆中写成的看不见的合同绑定在一起。在了解古代爬行动物如何学会承受自己的过程中，我们再次了解到，进化不仅仅是一部形状的历史——它是一部关于物质如何找到抵抗崩溃的新方法的编年史，并通过这种抵抗，成为以前没有的东西。

更多信息：Masaya Iijima 等人，鳄鱼后肢功能的生物力学模拟提供了对姿势变化和体型演变的见解，Science Advances （2025）。DOI：10.1126/sciadv.adx3811