新的生物力學分析探究梁龍科尾巴的甩動速度與功能

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本次研究以迷惑龍的尾巴標本為原型建模(手手蟲/呂淳濤提供)

本次研究以迷惑龍的尾巴標本為原型建模(手手蟲/呂淳濤提供)

蜥腳類恐龍是一群體型巨大恐龍,他們通常有著很長的脖子與尾巴,而其中梁龍科的尾巴更是極度延長,這讓研究人員們對於梁龍科尾巴的功能特別感到好奇。

梁龍科的尾巴有著大約80塊的尾椎,這些尾椎的形態變化顯示出從基部開始由大變小由繁至簡的趨勢,首先是由約十塊大型且複雜的椎骨組成的基部,接下來是約40個椎骨組成的中間部分,然後最後是約30個逐漸變小的桿狀椎骨組成的後段,由於細長桿狀尾椎缺乏複雜的型態,因此使得這些椎骨擁有更大的移動角度,這種獨特的結構類似於鞭子,因此這也讓過去的研究人員提出了梁龍科的尾巴可能是防禦武器並且能像鞭子一樣甩動的假設。在此基礎之上有研究人員對迷惑龍尾巴的甩動能力進行模擬測試,結果顯示出在對其尾巴末端增添約一公尺長類似鞭尾的軟組織結構之後,尾巴尖端的甩動速度可以達到每秒560公尺,而這遠比音速的每秒約340公尺還快,這也代表著梁龍科甩動尾巴會產生音爆,這讓梁龍科一時聲名大噪。

然而2022年一篇研究卻推翻了過去的說法,該研究依照新型的生物力學分析方法重新檢視了梁龍科尾巴的甩動能力,最後顯示出了一個不太一樣的結果。

在新的分析中,首次有研究團隊為測試的尾巴模型添加皮膚、肌腱和韌帶等軟組織,以此來模擬中判斷這些軟組織對於高速移動時的抵抗能力。這次研究的模型採用了五副迷惑龍的尾部標本,在過去的分析中都只有採用尾巴本體模型,而本次的分析則特別添加了骶骨,這將大幅限制甩動速度的上限。研究中將82塊尾椎分成14個區塊,並且根據尾椎結構與椎間盤尺寸來設定各關節的位置與軟組織的厚度,最終得出一條長12.44公尺,重1.44616公噸的尾巴模型。雖然沒有化石證據顯示出梁龍科擁有類似鞭尾的軟組織結構,不過也不能完全排除這種結構存在的可能,因此在分析當中研究人員假設了三種形態的鞭尾結構,分別如下:

第一種是由皮膚與角蛋白構成的三段式結構。

第二種是由連結著不同椎骨的角蛋白絲編織而成。

第三種是由軟組織組成的連枷狀結構。

尾巴模型模擬甩動的過程(Conti, s et al. (2022))

尾巴模型模擬甩動的過程(Conti, s et al. (2022))

分析後結果顯示尾巴基部的旋轉會讓尾巴出現鞭子的運動模式,從而在尾巴最末端產生最大速度,但由於骶骨的存在大大限制了尾巴的旋轉角度,因此最終尾巴末端的最大速度只能達到每秒32.7公尺,這大約是音速的十分之一。接下來研究人員又模擬了尾巴軟組織在音速底下的承受能力,結果顯示不管是哪種軟組織結構,都會無法承受音速所帶來的離心力從而斷裂,儘管將軟組織加厚可以提升對抗離心力的程度,但加厚軟組織連帶著提升的質量又會進一步導致更大的離心力,而這又導致軟組織必須變的更厚,最終所能承受音速的尾巴直徑也變的不現實,因此這表明了梁龍科的尾巴結構是完全無法承受音速的。

儘管梁龍科的尾巴沒有辦法達到音速,但每秒約30公尺的速度依然有著一定的威力,經過計算後顯示這樣的打擊力度差不多等於以每秒88公尺行進的高爾夫球,或者以每秒57公尺行進的排球所施加的壓力。雖然這樣的力量不足以撕裂皮膚和打斷骨頭,但依然能造成可觀的傷害,因此尾巴作為防禦武器依然是合理的,只不過對古生物行為的判斷基本上都是沒有根據的推測,所以尾巴作為武器究竟是做種內鬥爭還是對付掠食者抑或是兩者都有還無法確定。

梁龍科的尾巴模型在加上皮膚、肌腱與韌帶之後比過去想像的更缺乏韌性,因此無法承受音速帶來的壓力。這次研究除了分析出了梁龍科尾巴甩動速度的合理範圍外,本次的分析成功還顯示出該方式是一個可行並且容易操作的模式,在未來亦可運用在更多古生物上。

作者:白稜

參考文獻:

Conti, S., Tschoop, E., Mateus, O., Zanoni, A., Masarati, P., Sala, G. (2022). Multibody analysis and soft tissue strength refute supersonic dinosaur tail. Scientific Reports.

你對古生物了解多少呢?在進入這個領域之前這裡提供古生物學的基本認知~
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